411 aula 6 trilhos

SUPERESTRUTURA FERROVIÁRIA:

TRILHOS

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA – DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE

PRODUÇÃO E TRANSPORTES

Disciplina: Infra-estrutura Ferro-hidro-aero-dutoviária

(ENG 09030)

Prof. Fernando Dutra MICHEL

É um perfil metálico de seção especial,

destinado a formar a pista de rolamento dos

veículos ferroviários.

Os trilhos funcionam como vigas elásticas

que servem como suportes diretos e guias

das rodas.

1. FUNÇÕES

Seção com momento de inércia elevado para

resistir aos esforços de flexão.

Inicialmente em “duplo T”, evoluindo para o Vignole

1. FUNÇÕES

Seção do trilho Vignole com e sem friso

Friso para aplicação em

trens de superfície,

permite encaixe com a via

O perfil fabricado no Brasil é o Vignole e é formado por

patim, alma e boleto

1. FUNÇÕES

PATIM

ALMA

BOLETO

BOLETO: deve ser “maçudo” o suficiente para que o

desgaste não afete o Momento de Inércia da seção.

ALMA: deve possuir altura suficiente para resistir à flexão.

Quanto maior a alma, maior a distância do boleto e do patim

com relação à linha neutra da seção. Quanto mais a massa

do trilho estiver concentrada no boleto e no patim, mais

resistente este trilho será à flexão. Entretanto, deve-se

conservar uma espessura mínima na alma capaz de garantir

adequada resistência e rigidez transversal. Tal espessura

leva ainda em consideração o desgaste provocado pela

corrosão atmosférica.

1. FUNÇÕES

PATIM: não deve ser muito fino, garantindo dessa forma que

a alma continue perpendicular ao dormente (ou placa de

apoio) durante as solicitações transversais (em curvas, por

exemplo). Se não possuir espessura adequada, pode

acumular deformações permanentes ao longo da vida útil e

provocar acidentes.

1. FUNÇÕES

Assim como na alma, a espessura de fábrica do patim deve

prever a diminuição da mesma com o tempo devido a ação da

corrosão.

Ferro: Aproximadamente 98% da composição do trilho.

Elemento básico do aço que fornece suas principais

qualidades (maleabilidade, resistência a flexão, etc.)

Carbono: Proporciona maior dureza ao aço. Se o percentual

for muito alto, torna o aço quebradiço (0,5 – 2%)

Manganês: Encarece muito o preço do aço, sendo utilizado

apenas nos aço-liga. Também tem a característica de

aumentar a dureza do aço.

Fósforo e Enxofre: Elementos indesejáveis no aço. O

primeiro torna o aço quebradiço, e o último forma as

segregações na microestrutura do aço.

Composição do aço para trilhos

O perfil Vignole tem as seguintes especificações:

Tipo Peso (kgf/m)

TR-68 67,56

TR-57 56,9

TR-50 50,35

TR-45 44,65

TR-37 37,11

TR-32 32,05

TR-25 24,65

1. FUNÇÕES

Maior resistência no suporte de cargas = TR-68

- resistência

+ resistência

Comprimento padrão: 10, 12 ou 18 metros

Prova de choque: Peso de 907,2 kg em queda livre sobre o

trilho apoiado

Especificações

Ensaio de dureza: Dureza Brinell (Esfera pressionada contra

o trilho a uma força de 3 ton – superfície imprimida) Relação

entre Carga/Area de imprimação

Ensaio Macrográfico: Aplica-se reativo que vai corroer o aço.

O exame de simples vista indica defeitos em sua distribuição

Especificações

Ensaio de Entalhe e Fratura: Esamina-se a fratura do corpo

de prova. Observa-se trincas, esfoliações, cavidades, matéria

estranha brilhante e classifica-se o trilho

Avarias nos Trilhos

ORIGINADAS DA FABRICAÇÃO

VAZIOS: ocorre na fase de solidificação do

trilho, causando um vazio na parte superior

do lingote. É um defeito grave, pois diminui

bastante a resistência da peça.

SEGREGAÇÃO: consiste na localização

de impurezas no centro do lingote.

Prejudicam as qualidades mecânicas do

lingote, podendo ser causa de fissuras e

fendas.

INCLUSÕES: inclusões não metálicas

aparecem no aço provindas de diversas fontes.

São perigosas pois causam uma fenda interna

na peça, que dificilmente será descoberta.

FISSURAS TRANSVERSAIS: pequenas

cavidades formadas no final da laminação que

podem dar origem, quando o trilho estiver sob

carga, a uma fatura. Estas fissuras têm origem

na parte interna do boleto se propagando

então para o exterior.

DEFEITOS DE LAMINAÇÃO: causados no final da

laminação, são perceptíveis a olho nu e não têm influência

na segurança.

Avarias nos Trilhos

AVARIAS ORIGINADAS EM SERVIÇO

DEFORMAÇÃO DOS PONTOS: devido a

choques e flexões nas juntas em virtude do

desnivelamento dos dormentes. Causa uma

deformação permanente deixando os pontos

dos trilhos mais baixos. Pode causar também

fraturas junto aos furos se os dormentes das

juntas não estiverem bem nivelados.

AUTO TÊMPERA SUPERFICIAL: causado pelo aquecimento e

rápido resfriamento dos trilhos. Origina fissuras superficiais que

eventualmente podem se propagar para o interior do trilho.

DESGASTE DO TRILHO POR ATRITO: ocorre principalmente

em curvas devido ao atrito dos pisos das rodas..

Avarias nos Trilhos

DESGASTE ONDULATÓRIO: originado pelas vibrações

produzidas nos trilhos durante a passagem do veículo. Não

acarreta perigo, mas torna o trilho excessivamente ruidoso.

FRATURAS: causadas principalmente por

defeitos internos ou envelhecimento do

trilho.

Avarias nos Trilhos

Trilho nº 1: Trilho isento de qualquer defeito

Trilho nº 2: Trilho que contém imperfeições de superfície de

caráter tolerável.

Trilho X: Trilho que não passou no ensaio de entalhe e fratura

Classificação dos trilhos

(ASTM – American Society for Testing Materials)

Uso no assentamento de vias segundo a classificação

• trilhos n 1: podem ser assentados em qualquer via;

• trilhos n 2: podem ser assentados em qualquer via menos em:

a) Curva de raio inferior a 400m;

b) túnel;

c) ponte;

d) aparelho de mudança de via (AMV);

e) travessão;

f) cruzamento;

g) conexão com os aparelhos mencionados de d até f.

• trilhos X: só podem ser assentados em via acessória, desvios e

como contra-trilhos de passagem de nível, de obra de arte ou de

curva.

3. CLASSIFICAÇÃO

De fabricação

• vazio: bolsas de ar, formadas durante processo de resfriamento

• segregações: presença de fósforo e enxofre na composição

química

• inclusões: presença de impurezas provenientes da escória do

forno, da soleira de revestimento e da panela

• fissuras transversais: pequenas cavidades formadas na

laminação, que podem ocasionar a fratura do trilho quando este

está em serviço, submetido aos esforços

• defeitos de laminação: não influem na segurança, são pequenas

rebarbas, ondulações e pregas no acabamento do trilho

Defeitos dos trilhos

Avarias originadas em serviço

• Deformação das pontas: nas juntas é comum ocorrer a

deformação das pontas dos trilhos

• Autotêmpera superficial: causada pela fricção das rodas que

eleva a temperatura do trilho, que quando se esfria em contato

com o ar forma fissuras (“pele de cobra”)

• Escoamento do metal da superfície do boleto: deformação

devido ao martelamento das cargas

• Desgaste por ação química: maresia, mercadorias

transportadas como enxofre, sal, carvão, etc.

• Desgaste por atrito: devido ao contato da roda, principalmente

nas curvas

• Desgaste ondulatório: originada pelas vibrações na via

• Fratura: originadas por defeitos internos ou pela fadiga

do metal

Defeitos dos trilhos

Permitem aumentar a vida útil dos trilhos

• Tratamento térmico dos trilhos: envolve aquecimento e

resfriamento gradual, para melhorar a composição química do

aço

• Aços especiais: são aços-liga com adição de cromo, manganês,

e carbono desenvolvidos a partir do desenvolvimento

tecnológico da siderurgia do aço.

• Aumentam consideravelmente a resistência à tração, limite de

escoamento e dureza do aço

Trilhos Especiais

Ângulo beta igual a 60º

• Trilho inclinado 1:20 (na vertical)

• Beta menor que 60º facilita subida dos trilhos (descarrilhamento)

• Beta maior que 60º facilita a roda subir nas juntas

Seção transversal dos trilhos

• Relações entre dimensões e seção transversal

Seção transversal dos trilhos

• Em função dos desgastes do trilho especificam-se suas

dimensões para que tenham vida útil maior

2. PERFIL DOS TRILHOS

DIMENSÕES mm

Vignole

TR ASCE kg/m A

mm

B

mm

C

mm

D

mm

F

mm

G

mm

H

mm

E

mm SO X

MÓDULO

RESISTÊNCIA cm3

BOLETO PATIM

25 5040 24,6 98,4 98,4 54,0 11,1 68,3 3,1 43,7 139,7 25,4 81,6 86,7

32 6540 32,0 112,7 112,7 61,1 12,7 68,3 3,1 50,0 139,7 25,4 120,8 129,5

37 7540 37,1 122,2 122,2 62,7 13,5 68,3 3,1 53,8 139,7 28,6 149,1 162,9

45 9020** 44,6 142,9 130,2 65,1 14,3 68,3 3,1 65,5 139,7 28,6 16 205,6 249,7

50 10025* 50,3 152,4 136,5 68,2 14,3 68,3 3,1 68,7 139,7 28,6 16 247,4 291,7

57 11525* 56,9 168,3 139,7 69,0 15,9 88,9 3,1 73,0 152,4 28,6 40 295,0 360,7

68 135 RE* 67,6 185,7 152,4 74,6 17,4 88,9 3,1 78,6 152,4 28,6 40 391,6 463,8

2. PERFIL DOS TRILHOS

Comprimentos e áreas da seção transversal

• o comprimento padrão dos trilhos é de 12 m;

• é possível solicitar a entrega de trilhos curtos. Neste caso o

comprimento está compreendido entre 11,7 m e 7,8 m, variando

de 30 em 30 cm;

• também é possível o fornecimento de trilhos com

comprimento de 18 m.

TR-37 TR-45 TR-50 TR-57 TR-68

Área 19.87 20.58 24.51 25.22 31.35

% do total 42.0% 36.2% 38.2% 34.7% 36.4%

Área 9.94 13.68 14.52 19.68 23.35

% do total 21.0% 24.0% 22.6% 27.1% 27.1%

Área 17.48 22.64 25.16 27.68 31.42

% do total 37.0% 39.8% 39.2% 38.1% 36.5%

47.29 56.9 64.19 72.58 86.12

Patim

Área total

Área

Tipo do trilhoCaracterísticas

Boleto

Alma

4. ESPECIFICAÇÃO DE FORNECIMENTO

(cm²)

Vida útil pela área da seção transversal

•Unisteel Contorograph (espécie de

Pantógrafo)

Controle da seção dos trilhos

•Aparelho de Ritcher

•Moldes de gesso

• a ligação entre duas barras de trilho pode ser feita por

meio de talas de junção de 4 ou 6 furos ou por meio de

soldas (elétricas, a oxigênio ou aluminotérmica);

• no caso da ligação por talas, cada TR utiliza a tala de

junção (TJ) correspondente:

4 furos 6 furos

TJ-37 9,35 14,04

TJ-45 14,03 21,09

TJ-50 15,17 22,81

TJ-57 16,48 24,71

TJ-68 17,1 25,6

Massa (kg)Tipo

5. LIGAÇÕES

Ligação dos trilhos (talas de junção)

TJ Kg E H J L J1 L1 PO K

4 6

25 5,8 139,7 139,7 95,2 609,5 22,2 28,6

32 8,4 139,7 139,7 95,2 609,5 22,2 28,6

37 9,4 14,0 139,7 139,7 95,2 609,5 108 914,5 25,4 31,7

45 14,0 21,1 139,7 139,7 95,2 609,5 108 914,5 27,0 35,7

50 15,2 22,8 139,7 139,7 95,2 609,5 108 914,5 27,0 35,7

57 16,5 25,0 152,4 181,0 61,9 609,5 61,9 914,5 27,0 35,7

68 17,1 25,6 152,4 181,0 61,9 609,5 61,9 914,5 27,0 35,7

5. LIGAÇÕES

Tala de junção plana

Flat joint-bar

Eclisa plana

Tala de junção angular

Angle-bar

Eclisa angular


5. LIGAÇÕES


• nas ligações feitas por talas de junção, é necessária a

inserção de uma folga entre os topos dos trilhos dada da

seguinte forma:

Mínima Máxima Trilho 12m Trilho 18m

-3 10 4,8 6,35

11 24 3,2 3,97

25 38 1,5 1,5

38 - unidos unidos

Temperatura Folga na junta (mm)

5. LIGAÇÕES

JUNTAS DE DILATAÇÃO

• Junção entre dois trilhos

onde um constitui uma agulha

e o outro uma contra agulha

• Apoiadas sobre os mesmos

dormentes

• Forjadas em Z

• Custo mais elevado

5. LIGAÇÕES

SOLDAS

O emprego dos trilhos longos oferece vantagens de

ordem técnica e econômica. As juntas, como sabemos, são

os pontos fracos da via, pontos iniciais dos mais graves

defeitos da linha e que ocasionam maior número de

acidentes no tráfego. Assim o emprego deste tipo de trilho

acarreta economia dos matérias dessas juntas e reduz os

gastos da conservação da via.

5. LIGAÇÕES

Solda aluminotérmica diretamente na linha

A foto tirada no trecho da "rota do calcário" entre Arcos (MG) e Barra Mansa(RJ)

mostra a hora que se aquece as pontas dos trilhos.

Trata-se de um processo que envolve uma

reação do alumínio com o óxido metálico,

dando como resultado o metal envolvido e

o óxido de alumínio, com liberação de calor.

O processo produz coalescencia de metais

pelo aquecimento dos mesmos.

Para aplicações em soldagem, o metal de

enchimento é obtido do metal liquido

que se forma na reação química.

Ligações nos TLS

• nas linhas onde são empregados os TLS (trilhos longos

soldados) as barras podem atingir comprimentos que vão de

estação a estação só sendo interrompidas junto aos AMV’s;

• não existe uma norma específica quanto a medida da folga

entre dois TLS consecutivos.

• é comum adotar para barra de 60 a 250 metros uma folga de

9,53mm para o intervalo de –3°C a +10°C, de 6,53mm para

+11°C a +24°C, de 2,38mm para +25°C a +38°C e topados para

temperaturas superiores a +38°C;

5. LIGAÇÕES

Ligações nos TLS

• nos TLS a parte central não sofre nenhum movimento por

efeito da variação de temperatura;

• os TLS deverão ser tão longos quanto possível, a fim de não

só diminuir as zonas de folga, que representam pontos

instáveis, como também suprimir as talas de junção que são

pontos fracos da via;

• os TLS podem ser assentados nas tangentes e curvas de raio

maior que 500m para bitola larga e raio maior que 400m para

bitola estreita. Em linhas com dormentes de concreto é

permitido o uso de TLS em curvas com raio inferior aos

limites.

5. LIGAÇÕES

• as EF adotam fórmulas para o cálculo do peso do trilho

por metro, necessário para suportar uma determinada

carga;

• uma das mais utilizadas é a que se baseia na experiência

ferroviária alemã. A expressão é a seguinte:

max5,4

ePkkkg dvs

6. DIMENSIONAMENTO

Onde:

g é o peso do TR em kgf/m;

Ks é um coef. para as cargas estáticas, que depende do afastamento

das cargas e cujo valor é:

• 0,290 para um eixo isolado;

• 0,240 para eixos extremos;

• 0,190 para eixos intermediários;

Kv é o coef. dinâmico ( o mesmo utilizado para o cálculo da pressão

no lastro). Deve-se considerar o valor mínimo igual a 1,4;

Kd é o coef. que considera os esforços horizontais, tendo os

seguintes valores:

• 1,3 para veículos tratores;

• 1,15 para veículos rebocados;

max é a tensão máxima admissível do aço utilizado no trilho.

6. DIMENSIONAMENTO

max5,4

ePkkkg dvs

• A fixação dos trilhos aos dormentes de qualquer tipo pode

ser executada com ou sem interposição de placas de apoio;

• As placas de apoio são peças de aço interpostas entre o

patim do trilho e o dormente, principalmente nos dormentes

de madeira, com a finalidade de distribuir melhor a carga do

trilho e, assim aumentar a sua vida útil;

7. FIXAÇÃO DOS TRILHOS

FIXADORES

FIXAÇÃO RÍGIDA

• Reduz a vida útil dos dormentes



FIXAÇÃO ELÁSTICA

• A placa de apoio recebe a

sigla PA. É designada de

acordo com o trilho que irá

receber:

Comprimento Largura

PA-37 3,2 228,6 152,4

PA-45 3,8 254 158,8

PA-50 5,3 266,7 196,9

PA-57 8,9 330,2 196,9

PA-68 13,9 406,4 196,9

Dimensões (mm)Tipo Massa (kg)


Tipo Comp.

mm

Largura

mm

Peso p/

Placa Kg

Diâmetro

Furo

Nº de

Furos

PA-25 228,6 152,4 3,2 19 3

PA-32 228,6 152,4 3,2 19 3

PA-37 228,6 152,4 3,2 19 3/4

PA-45 254,0 158,8 3,8 19 3/4

PA-50 266,7 196,9 5,3 19 3/4

PA-57 330,2 196,9 8,9 Ø23,8 6

PA-68 406,4 196,9 13,9 Ø23,8 6

Fixação dos

dormentes (placa de

apoio)


8. VIDA ÚTIL

• A vida útil é limitada pelo desgaste do trilho ou pela ruptura por

fadiga decorrente do carregamento cíclico.

• Geralmente o desgaste é o fator limitante que ocorre primeiro.

• O desgaste é decorrente da ação mecânica entre a roda e o

trilho, que podem ou não possuir a mesma dureza. A rapidez com

que surge o desgaste é função do raio das curvas e do peso da

carga transportada pelos veículos. O limite geralmente

estabelecido para o desgaste é de 25% da área total do boleto

(seção transversal).

• A fadiga é o fenômeno que leva o trilho à ruptura mesmo

quando solicitado com uma tensão menor que a de ruptura. Isso

acontece devido ao acúmulo de rearranjos dos cristais do metal

que ocorrem a cada ciclo de solicitação. As passagens

intermitentes do trem ao longo dos anos constituem um

carregamento cíclico que pode levar o trilho à ruptura por este

fenômeno.

A vida útil é função do Raio das

Curvas

Raio (m)

Infinito

1747

873

562

437

349

291

250

175

%

100

95

80

70

60

55

50

40

35

8. VIDA ÚTIL

Vida útil a ser esperada de diferentes

PERFIS

Perfil Bitola Ton.

TR 37 1.00 127 x 106

TR 45 1.00-1.60 193 x 106

TR 57 1.60 290 x 106

8. VIDA ÚTIL

9. SUPERESTRUTURA FERROVIÁRIA

Trilho-guia para teste: Maglev no Japão

Trem voador Maglev levita a 10 centímetros do solo. A tecnologia deste trem

é baseada na energia magnética criada pelos grandes ímãs instalados no

trem. Os trens ultrapasam 500 km/h.

http://robertomaxwell.com/wp-content/uploads/2007/07/800px-jr-maglev-mlx01-2.jpg

exercícios 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%

e = 55 cm (dado no exercício)

Ks = 0,24 (dado)

Kd = 1,15 (rebocado)

Sigma = 1500kg/cm² (dado)

max5,4

ePkkkg dvs

Tipo Peso (kgf/m)

TR-68 67.56

TR-57 56.9

TR-50 50.35

TR-45 44.65

TR-37 37.11

TR-32 32.05

TR-25 24.65

G = 0,24*1,4*1,15*((14875*55)/(4,5*1500))

= 46,8 kg/m

P = 14875 kg (calculado)

Kv = 1,4 (calculado)

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



e = 55 cm (dado no exercício)

Ks = 0,24 (dado)



max5,4

ePkkkg dvs

Tipo Peso (kgf/m)

TR-68 67.56

TR-57 56.9

TR-50 50.35

TR-45 44.65

TR-37 37.11

TR-32 32.05

TR-25 24.65P = (calculado)


G = 35,42 kg/m

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



Distância entre eixos = 2m

CBR plataforma = 17%



Ombreira 30cm

Espaçamento dormentes = 60cm 1667 dorm/km

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



P = (calculado)

e = 60cm (dado no exercício)

Ks = 0,24 (dado)




G = 38,64 kg/m

max5,4

ePkkkg dvs

Tipo Peso (kgf/m)

TR-68 67.56

TR-57 56.9

TR-50 50.35

TR-45 44.65

TR-37 37.11

TR-32 32.05

TR-25 24.65

411 aula 6 trilhos

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