411 aula 3 4 sublastro e lastro 2013

SUPERESTRUTURA FERROVIÁRIA:

SUBLASTRO E LASTRO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA – DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE

PRODUÇÃO E TRANSPORTES

Disciplina: Infra Ferro-hidro-aero-dutoviária (ENG 09030)

Prof. Fernando Dutra MICHEL

• Tal como nas rodovias, as estradas de ferro obedecem, tanto na

fase de projeto como na de construção de sua infraestrutura e

superestrutura, a determinações baseadas em normas técnicas;

• Tais normas são estabelecidas pela ABNT, DNIT mas também

podem incorporar procedimentos adotados em outros países,

especialmente aqueles de grande progresso ferroviário como EUA,

França, Alemanha e Japão;

• Nas ferrovias a fixação de parâmetros dimensionais para a

superestrutura afeta diretamente a infraestrutura.

1. NORMAS E PROCEDIMENTOS

• a superfície final da infra-estrutura constitui a chamada

plataforma, a qual é formada por solos naturais ou tratados, no

caso dos cortes e aterros, ou então por estruturas quaisquer no

caso de obras de arte especiais;

• na ferrovia a plataforma é o suporte da estrutura da via e que

recebe, através do lastro, as pressões devidas à circulação dos

trens;

• a plataforma fornece também espaço para as demais instalações

necessárias a operação ferroviária como postes de rede aérea de

comunicação, alimentação ou ainda para instalação superficial ou

subterrânea de cabos condutores.

2. PLATAFORMA DE TERRAPLENAGEM

• a plataforma tem como função básica proporcionar apoio a

superestrutura da via de modo que não sofra deformações que

impeçam ou influam negativamente na operação, sob as condições de

tráfego que determina o traçado da linha;

• para que o apoio não sofra deformações ou não influa negativamente

na operação da ferrovia, é necessário que a plataforma tenha certas

características de resistência;

• assim como no caso das rodovias, as características físicas dos solos

nas ferrovias são determinados a partir de métodos tais como:

identificação visual, granulômetria, sedimentação, limites de Attenberg

(limite de liquidez, limite de plasticidade, índice de plasticidade), CBR,

etc.



Aterro


Corte

Em solo natural:

• pode ser usada quando o valor de resistência é atendido;

• os serviços preliminares consistem na roçada, remoção da camada

de solo orgânico, regularização;

• se necessário substituição dos materiais das camadas inferiores.

Em cortes:

• se após a escavação as características geomecânicas atenderem as

exigências de resistência e capacidade de deformação, esta será

incorporada a plataforma;

• se necessário realizar a substituição dos materiais;

• rocha não é considerada bom material para camadas de lastro

inferiores a 30cm;

• plataformas muito rígidas podem conduzir a destruição do lastro,

especialmente se o tráfego for predominantemente de vagões

pesados.


ELEMENTOS DA VIA PERMANENTE

3. SUBLASTRO

3. SUBLASTRO

Funções

• aumentar a capacidade de suporte da plataforma,

permitindo elevar a taxa de trabalho no terreno menor

altura da camada de lastro (e conseqüente redução do

custo);

• evitar a penetração do lastro na plataforma;

• aumentar a resistência do leito à erosão e a penetração

da água, auxiliando no processo de drenagem da via

(impede a subida da lama);

• permitir relativa elasticidade ao apoio do lastro, para que

a via permanente não seja rígida.

Características do material do sublastro

• IG (Índice de Grupo ou capacidade de suporte) – igual a zero;

• LL (Limite de Liquidez ou menor teor de umidade) – máximo

35%;

• IP (Índice de Plasticidade) – máximo 6%;

• expansão máxima – 1%;

• quando executado, o sublastro deverá ser compactado de modo

a obter-se peso específico aparente correspondente a 100% do

obtido no Ensaio de Proctor.

3. SUBLASTRO

• material que se enquadre, de preferência, no grupo A1 de

classificação de solos HRB (Highway Research Board):

A1 Solo bem graduado constituído principalmente de

pedregulho e areia, mas contendo pequena quantidade de

finos.

• Os solos argilosos (A4 a A7) estão sujeitos a amplas variações

na resistência durante os ciclos de secagem e umedecimento, são

portanto indesejáveis.

• Os solos mal graduados, como areias finas (A3), são difíceis de

serem compactados para alcançar altas densidades

3. SUBLASTRO

3. SUBLASTRO

Materiais empregados

• brita

• cascalho

• escória

• solos

• saibro

3. SUBLASTRO

Espessura do sublastro

• a espessura do sublastro deverá ser tal que a

distribuição de pressões através do mesmo acarrete, na

sua base (plataforma), uma taxa de trabalho compatível

com a capacidade de suporte da mesma;

• geralmente, um sublastro com espessura de 20 cm é

suficiente.

3. SUBLASTRO

4. LASTRO

Funções

• distribuir sobre a plataforma ou sobre o sublastro os esforços

resultantes das cargas dos veículos, produzindo uma pressão

adequada a sua capacidade;

• formar um colchão até certo ponto elástico, atenuando as

trepidações resultantes da passagem dos veículos;

• formar uma superfície uniforme e contínua para os dormentes e

trilhos, suprimindo as pequenas irregularidades na superfície da

plataforma ou do sublastro;

• impedir o deslocamento dos dormentes, quer no sentido

longitudinal, quer no sentido transversal;

• promover a drenagem da superestrutura e, no caso dos

dormentes de madeira a sua aeração.

4. LASTRO

4. LASTRO

Camada de lastro

plataforma

• resistência suficiente aos esforços transmitidos pelos

dormentes;

• possuir uma elasticidade suficiente para abrandar os choques;

• ter dimensões que possibilitem a sua interposição entre e sob

os dormentes, preenchendo as depressões da plataforma ou

sublastro e permitindo o perfeito nivelamento dos trilhos;

• possuir resistência aos agentes atmosféricos;

• possuir permeabilidade para realizar a drenagem das águas das

chuvas;

• não estar sujeito a desgaste produtor de pó;

• permitir uma soca eficiente por meios mecânicos (socadores,

vibradores).

Qualidades do lastro

4. LASTRO

• escória granulada;

• escória metálica;

• cascalho de pedreira, cascalho de rio, seixos;

• escória britada;

• rocha britada.

Materiais empregados

4. LASTRO

ÓTIMO

MELHOR TIPO por ser resistente, inalterável aos

agentes atmosféricos e permeável – PERMITE UM

PERFEITO NIVELAMENTO DO LASTRO

Especificações

– segundo a AREA (American Railway Engineering Association)

a) Peso específico mínimo: 2,7

b) Resistência à ruptura: 700 kg/cm2

(ensaio: cubos de 5 cm de aresta, levados a uma máquina

de compressão)

c) Solubilidade: A pedra não pode ser solúvel

(ensaio: 7dm3 de pedra triturada e lavada colocada em um vaso e

agitada no período de 48 horas, durante 5 min, cada 12 horas de

intervalo – se houver descoloração a pedra é considerada solúvel

e imprópria)

d) Absorção: o aumento de peso por absorção de água de uma amostra de

230 g, quando mergulhada em água durante certo tempo, não

deve ultrapassar 1% (pelo método MB 8 da ABNT).

4. LASTRO

Especificações

– segundo a AREA (American Railway Engineering Association)

Graduação 63,5mm 50mm 38mm 25mm 19mm 12,7mm

50mm a 25mm 0 0-5 35-65 85-100 90-100 95-100

Percentagens acumuladas nas peneiras

4. LASTRO

e) Substâncias nocivas: a quantidade de substâncias nocivas e torrões

de argila não deve ultrapassar 1%.

f) Granulometria: pedras do lastro devem ter dimensões entre 2 e 6 cm

Metodologia para dimensionamento da camada de lastro

1. Definir os parâmetros básicos da EF:

• bitola;

• espaçamento entre dormentes;

• carga total máxima por veículo;

• afastamento entre duas rodas consecutivas;

• velocidade operacional;

2. Determinar a carga dinâmica (Pv);

3. Determinar a pressão sob a face inferior do dormente (Pm);

4. Determinar pressão admissível (Pap) para o material a ser utilizado

no sublastro ou plataforma;

5. Determinar a altura da camada de lastro.

4. LASTRO

• o lastro não deverá cobrir os dormentes, sendo coroado a 5cm

da face superior. No caso de dormente de concreto com blocos

ligados por tirante metálico, o lastro deve ficar 2cm abaixo do

tirante, observando o coroamento de 5cm;

• a soca deve abranger para cada lado do eixo dos trilhos sob os

dormentes, no mínimo 40cm para as bitolas larga e normal e 30cm

para bitola estreita;

• a faixa central não atingida pela soca terá, pelo menos, 30 a 40cm

de largura.

Limites para dimensionamento da seção

4. LASTRO

• a capacidade de suporte da plataforma não deverá ser excedida

pela pressão transmitida pelo lastro, o qual terá espessura

suficiente para uniformizá-la;

• a ombreira terá largura adequada a estabilidade da via,

recomendando-se 30cm para as vias com trilhos longos soldados

(TLS), 20cm para as vias com alta densidade de tráfego sem TLS

e 15cm para as demais.


4. LASTRO

• o talude do lastro não terá inclinação superior a 1:1,5 (altura:base);

• a altura da camada de lastro sob os dormentes deve variar entre 40cm

e 20cm nas linhas de bitola larga e normal e entre 30cm e 15cm nas

linhas de bitola estreita;

• em linhas de grande solicitação, seja pela carga ou pela velocidade, a

espessura poderá ser aumentada até atingir o valor do afastamento

face a face dos dormentes, usando então uma camada de brita

graduada (lastro) e uma de sub lastro com material de menor

granulômetria;

• quando a altura da camada lastro calculada ultrapassar a altura

recomendada para a classe da linha, pode ser utilizado, por medida

econômica, material de categoria inferior como sublastro, desde que

ofereça boa condição de drenagem e tenha capacidade de suporte para

a pressão que deve ser transmitida.


4. LASTRO

Aspectos construtivos

• a escolha do material para lastro deve obedecer ao critério

econômico, observados os dispositivos das normas

técnicas;

• o lastro ou sub lastro somente deve ser lançado sobre a

plataforma devidamente regularizada, nivelada, compactada,

abaulada e que apresente adequada condição de drenagem;

• a soca do lastro deve ser executada preferencialmente por

processo mecânico e ser feita, em qualquer caso em

camadas de aproximadamente 15cm, sendo recomendado

até reduzir este valor para 10cm em linhas de grande

responsabilidade.

4. LASTRO

Dimensionamento

P carga em uma roda do veículo tipo (mais carregado)

P = peso total / número de rodas (kg)

Número de rodas: 2 truques, 2 eixos cada truque, 2 rodas

por eixo = 8 rodas

n relação entre as distâncias dos eixos de duas rodas

consecutivas do veículo (d) e o afastamento entre os

eixos dos dormentes (e)

e

dn

4. LASTRO

(m)

(m)

d

4. LASTRO

TRUQUE

Dimensionamento

Carga distribuída em um grupo de dormentes (Pg)

n

PPg

d

ePPg

4. LASTRO

Dimensionamento

Carga de cálculo (Pv)

gvv PkP onde kv coeficiente dinâmico (valor

mínimo = 1,4)

300001

2vkv

300001

2v

d

ePPv

4. LASTRO

(velocidade em km/h)

Dimensionamento

Pressão na face inferior do dormente (Pm)

sa

PP v

m

onde:

a largura do dormente (cm)

s largura da soca (cm)

4. LASTRO

s s

Dimensionamento

Pressão a uma altura h sob a face inferior do dormente

Fórmula de Talbot

25,1

87,53

i

mhih

PP

4. LASTRO

• pressão admissível na plataforma (sublastro) (Pap)

Dimensionamento

s

rap

n

PP

onde:

Pr pressão de ruptura do solo

ns coeficiente de segurança

100

70 CBRPr

4. LASTRO

CBR em %

O Índice de Suporte Califórnia (CBR - California Bearing Ratio) é a relação, em

percentagem, entre a pressão exercida por um pistão de diâmetro padronizado necessária à

penetração no solo até determinado ponto (0,1”e 0,2”) e a pressão necessária para que o mesmo

pistão penetre a mesma quantidade em solo-padrão de brita graduada.

Dimensionamento

Determinação da camada de lastro

Phi ≤ Pap

8,0

87,53

apPPmh

4. LASTRO

exemplo Uma estrada de ferro com extensão de 200km será construída em bitola larga para escoar a produção de minério de ferro. Determine a altura da camada de lastro necessária sob os dormentes. Faça também a representação da seção tipo e determine o volume de material necessário para a execução da obra.

Carga total por vagão= 119000kg

Velocidade operacional= 70km/h

Número de eixos por veículo = 4

Distância entre eixos = 2m

CBR plataforma = 18,5%

Coeficiente NS = 5,5

Soca = 40cm para cada lado do eixo dos trilhos

Ombreira 30cm

Espaçamento entre dormentes = 55cm = 1820 dorm/km

Dimensões do dormente 2,8 x 0,24 x 0,17m

Inclinação talude = 1:1,5

Fator majoração sobre a compactação = 10%

• P = peso total/ numero de rodas

• Pg = P*e/d

• kv = 1+v²/30000

• Pv = Pg*Kv

• Pm = Pv/a*s

• Pr = (70*CBR)/100

• Pap= Pr/ns

• h>= (Pm(53,87/Pap))^0,8

• P = peso total/ numero de rodas = 119000/8 = 14875kg

• Pg = P*e/d = 14875*0,55/2 = 4090,62kg

• kv = 1+v²/30000 = 1+70²/30000 = 1,16 ->1,4 (min)

• Pv = Pg*Kv = 4090,62*1,4 = 5726,87kg

• Pm = Pv/a*s = 5726,87/(24*(2*40))= 2,98kg/cm²

• Pr = 70*CBR/100 = 70*18,5/100 = 12,95kg/cm²

• Pap= Pr/ns =12,96/5,5 = 2,35kg/cm²

• h>= (Pm(53,87/Pap))^0,8 >= (2,98(53,87/2,35))^0,8 = 29,35cm = 30cm (arredonda) – a partir da face inferior do dormente

• Dormente de bitola larga = 2,80m

• Dormente com altura 17cm = 12cm enterrados e 5cm descobertos

• Ombreira de 30cm cada lado

Pm =2,59

Pap=2,35

% = 2,35/2,59 x 100 = 78,85%

h=300 (mm)

GRÁFICO

1:1,5 42

X = 63

Total do subleito = 2,8+0,30*2+0,63*2 = 4,66m

A_seçao = (4,66+3,40)*0,42/2 = 1,69m² *200.000m = 338000m³

(Vtotal)

Vdormente = 2,8*0,24*0,12= 0,08m³

Vdormentes = 0,08*1820*200 = 29120m³

Vlastro = 338000-29120 = 308880m³ *1,1 = 339.768m³

Determine a altura da camada de lastro para um EF de bitola estreita e 350km de extensão destinada ao transporte de produtos agrícolas e carga geral. Represente a seção tipo e determine o volume de material necessário.

Carga total por vagão= 90.000kg



Distância entre eixos = 1,574m

CBR sublastro = 30%



Ombreira 30cm

Espaçamento entre dormentes = 55cm – 1820 dorm/km

Dimensões do dormente 2 x 0,22 x 0,16m



Determine a altura da camada de lastro para uma EF de bitola larga destinada ao tráfego de trens urbanos de passageiros. O trecho tem extensão de 50km. Também representar a seção tipo e determinar a quantidade de material para o lastro.

Carga total por vagão= 90.000kg




CBR plataforma = 17%



Ombreira 30cm

Espaçamento dormentes = 1667 dorm/km




Determine a carga total por vagão para uma EF de bitola larga com 25 cm de lastro e destinada ao tráfego de trens urbanos de passageiros. O trecho tem extensão de 50km. Também representar a seção tipo e determinar a quantidade de material para o lastro.




CBR plataforma = 20%


Soca = 75cm

Ombreira 30cm

Dormentes= 1667 dorm/km




• P = peso total/ numero de rodas

• Pg = P*e/d

• kv = 1+v²/30000

• Pv = Pg*Kv

• Pm = Pv/a*s

• Pr = (70*CBR)/100

• Pap= Pr/ns

• h>= (Pm(53,87/Pap))^0,8

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