411 aula 3 sublastro e lastro

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. FELIPE Ferreira de Ferreira

Prof. Fernando Dutra MICHEL

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

fase de projeto como na de construção de sua infra-estrutura 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 infra-estrutura.

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

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.

2. PLATAFORMA DE TERRAPLENAGEM

2. PLATAFORMA DE TERRAPLENAGEM

Aterro

2. PLATAFORMA DE TERRAPLENAGEM

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.

2. PLATAFORMA DE TERRAPLENAGEM

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

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)

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

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 %

Dimensionamento

Determinação da camada de lastro

Phi ≤ Pap

8,0

87,53

apPPmh

4. LASTRO

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.

Limites para dimensionamento da seção

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.

Limites para dimensionamento da seção

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

exemploUma 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

1:1,542

X = 63

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

Aseçao = (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 = 339768m³

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

Velocidade operacional= 70km/h

Número de eixos por veículo = 4

Distância entre eixos = 1,574m

CBR sublastro = 30%

Coeficiente NS = 5,5

Soca = 30cm para cada lado do eixo dos trilhos

Ombreira 30cm

Espaçamento entre dormentes = 55cm – 1820 dorm/km

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

Inclinação talude = 1:1,5

Fator majoração sobre a compactação = 10%

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

Velocidade operacional= 85km/h

Número de eixos por veículo = 4

Distância entre eixos = 2m

CBR plataforma = 17%

Coeficiente NS = 5,5

Soca = 40cm para cada lado do eixo dos trilhos

Ombreira 30cm

Espaçamento dormentes = 60cm 1667 dorm/km

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

Inclinação talude = 1:1,5

Fator majoração sobre a compactação = 10%