minho - definição de caso de estudo de um trecho de via-férrea para

UNIVERSIDADE DO MINHOESCOLA DE ENGENHARIA

PROJECTO POCI/ECM/61114/2004 INTERACTION SOIL-RAILWAY TRACK FOR HIGH SPEED TRAINS

Definio de caso de estudo de um trecho de via-frrea para simulao numrica

Setembro 2006

Instituies Participantes: Universidade do Minho, LNEC, FFCT-UNL

Universidade do Minho Escola de EngenhariaDepartamento de Engenharia Civil

Projecto POCI/ECM/61114/2004 Definio de caso de estudo de um trecho de viafrrea para simulao numrica

NDICE

INTRODUO ..........................................................................................................................................2 1. 2. 3. 4. CARACTERIZAO DA CARGA MVEL................................................................................3 CARACTERIZAO GEOMTRICA E GEOTCNICA DA VIA E DA FUNDAO ........4 PLANO DE INSTRUMENTAO E RESULTADOS DAS MEDIES .................................7 CONCLUSES .................................................................................................................................9

BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................................................10 ANEXOS


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INTRODUOPretende-se com o seguinte relatrio fixar os dados necessrios simulao numrica de um trecho de via-frrea e, desta forma, simular o comportamento da via aquando da passagem de um comboio, utilizando anlises estticas e dinmicas e diferentes programas de clculo. Estas anlises sero efectuadas individualmente por cada uma das instituies intervenientes no projecto POCI /ECM/61114/2004. Os dados apresentados neste relatrio so, na sua maioria, relativos a uma experincia realizada pela Sociedade de Caminhos-de-Ferro da Blgica num trecho de estudo na linha de Bruxelas-Paris, perto da localidade de Ath, 55km a sul de Bruxelas. Neste trecho foram realizadas uma srie de medies de vibraes na superestrutura e no solo a distncias que variam entre 4m a 72m da via, durante a passagem de um comboio Thalys HST, a uma velocidade varivel entre 160km/h e 330km/h. Os resultados destas medies serviro de comparao aos obtidos das simulaes numricas, possibilitando, assim, a validao das ferramentas numricas utilizadas. expectvel que se venham a dispor durante o decorrer do projecto de resultados experimentais obtidos em trechos de via-frrea em Portugal. Neste relatrio comea-se por apresentar os dados relativos carga mvel aplicada via (comboio Thalys HST), bem como as caractersticas geomtricas e geotcnicas desta e respectiva fundao. Finalmente apresentam-se, para uma determinada condio de carregamento, os resultados das vibraes medidas em locais instrumentados que abrangem a via e a zona circundante.


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1. CARACTERIZAO DA CARGA MVELOs comboios Thalys so constitudos por 2 locomotivas de 4 eixos, 2 carruagens de 3 eixos, adjacentes s locomotivas, e 6 carruagens de 2 eixos. Tal distribuio de eixos deve-se ao facto de as carruagens partilharem entre si as carretas (ver figura 1). O comprimento total do comboio com estas duas locomotivas e as oito carruagens de 200.18m. Na tabela 1 sumaria-se a informao relativa ao comboio Thalys. A varivel Lt representa o comprimento do elemento carruagem ou locomotiva, Lb a distncia entre carretas, La a distncia entre eixos de uma mesma carreta, Mt a massa total por eixo, Ms a massa sobre a suspenso dos eixo e Mu a massa sob a suspenso do eixo. Atendendo ao propsito do presente estudo fixa-se a velocidade para as analises dinmicas em 314km/h.

Figura 1 - Configurao do comboio THALYS

Tabela 1 - Parmetros fsicos e geomtricos do comboio THALYSElemento Locomotiva Carruagens laterais Carruagens centrais # carruagem 2 2 6 # eixos 4 3 2 Lt [m] 22.15 21.84 18.70 Lb [m] 14.00 18.70 18.70 La [m] 3.00 3.00 3.00 Mt [kg] 17000 14500 17000 Ms [kg] 15267 12674 15170 Mu [kg] 1733 1830 1826


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2. CARACTERIZAO GEOMTRICA FUNDAO

E

GEOTCNICA

DA

VIA

E DA

A estrutura ferroviria apresenta duas vias-frreas e constituda pelos seguintes elemento: carris soldados do tipo UIC60 (figura 2), sistemas de ligao carril/travessa do tipo Pandroll E2039, interfaces carril/travessa com uma rigidez de 100MN/m (para cargas entre 15 a 90kN), travessas do tipo monobloco em beto pr-esforado, uma camada de balastro (25/50) de espessura 0.30m, uma camada de sub-balastro (0/32) de espessura 0.20m e uma camada de leito de via (0/80 a 0/120) com 0.50m de espessura. Relativamente s caractersticas da fundao, salienta-se que a sua caracterizao geomtrica e geotcnica foi realizada atravs da realizao de ensaios geofsicos no intrusivos. Tais ensaios permitiram a identificao de 3 estratos com distintas propriedades geotcnicas. Um estrato superficial (estrato 1), com espessura mdia na ordem dos 1.5m, um intermdio (estrato 2) com 2.4 metros de espessura e um estrato inferior (estrato 3) a ser considerado, em termos de clculo, como semi-infinito. Os parmetros geotcnicos e geomtricos de referncia necessrios simulao numrica da estrutura ferroviria e fundao so apresentados na tabela 2 e na figura 3.

Z X

Figura 2 - Carril UIC60


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Tabela 2 - Parmetros geomtricos e geotcnicosElemento Travessa (monobloco em beto presforo) Interface carril/travessa Parmetro Coeficiente de Poisson Mdulo de Young Massa volmica Espessura Rigidez rea Inrcia Ix (ver figura 2) Inrcia Iz (ver figura 2) Inrcia toro Peso volmico Coeficiente de Poisson Mdulo de Young Espessura Massa volmica Coeficiente de Poisson Modulo de Young Coeficiente de amortecimento Espessura Peso volmico Coeficiente de Poisson Mdulo de Young Coeficiente de amortecimento Espessura Massa volmica Coeficiente de Poisson Mdulo de Young Coeficiente de amortecimento Velocidade da onda de compresso Massa volmica Espessura Velocidade da onda de corte Coeficiente de Poisson Coeficiente de amortecimento Velocidade da onda de compresso Massa volmica Espessura Velocidade da onda de corte Coeficiente de Poisson Coeficiente de amortecimento Velocidade da onda de compresso Massa volmica Espessura Velocidade da onda de corte Coeficiente de Poisson Coeficiente de amortecimento Valor 0.2 * 30 GPa * 2054 Kg/m3 0.01 m 100 MN/m 76.84 cm2 3055 cm4 512.9 cm4 100 cm4 * 7800 Kg/m3 0.3 * 210 GPa * 0.3 m 1800 Kg/m3 * 0.1 * 200 MPa * 0.01 * 0.2 m 2200 Kg/m3 * 0.2 * 300 MPa * 0.01 * 0.5 m 2200 Kg/m3 * 0.2 * 400 MPa * 0.01 * 187 m/s 1850 Kg/m3 1.4 m 100 m/s 0.3 0.03 249 m/s 1850 Kg/m3 1.9 m 133 m/s 0.3 0.03 423 m/s 1850 Kg/m3 Infinite 226 m/s 0.3 0.03

Carril (UIC60)

Balastro (calibre 25/50)

Sub-balastro (calibre 0/32)

Leito-de-via (calibre 0/80 a 0/120)

Estrato1

Estrato 2

Estrato 3

* Valores admitidos


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2.50 0.285 0.205 0.60 3.00

1.50

1.10 3 2

BALASTRO SUB - BALASTRO LEITO DE VIA

1.40

ESTRATO 1

1.90

ESTRATO 2

ESTRATO 3

a)

Geometria global da via

3.70 2.50 1.50 0.285 0.205 0.60

0.30

0.50

BALASTRO SUB - BALASTRO LEITO DE VIA

3 2

1.40

ESTRATO 1

1.90

ESTRATO 2

ESTRATO 3

b) Geometria admitida para as simulaes numricas Figura 3 Geometria da via-frreaInstituies Participantes: Universidade do Minho, LNEC, FFCT-UNL Pgina 6 de 17

1.00



3. PLANO DE INSTRUMENTAO E RESULTADOS DAS MEDIESOs registos de aceleraes disponveis na literatura para o local em anlise so relativos a passagens de comboios Thalys HST para velocidades entre 223km/h a 314km/h. Estes registos foram efectuados em 14 pontos de acordo com o plano de instrumentao representado na figura 4. Em ambas as vias foram colados no carril e nas travessas acelermetros do tipo Dytran, enquanto que na medio das aceleraes do solo utilizaram-se acelermetros do tipo PCB. A Figura 4 apresenta a planta e um corte do plano de instrumentao. No anexo 1 esto apresentados os resultados para a velocidade 314km/h.


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A

A-2

A-1

O

A-2

A-1

1

2A-4

A-3

32.01A-5 A-5

42.00A-6 A-6

54.00A-7 A-7

63.99A-8 A-8

78.01A-9 A-9

8A-10

3.24

A-4

A-3

OA-14 A-13 A-12 A-11A-10

9A-11

1016.00 16.00PCB 393C Leituras: Z A-5, A-6, A-7A-12

11A-13

12A-14

Acelermetro Designao

Dytran 3100A25 Leituras: Z A-1, A-2, A-3, A-4

8.00

8.00

PCB 393A03 Leituras: Z A-8, A-9, A-10, A-11

PCB 393A31 Leituras: Z A-12, A-13, A-14

Figura 4 Plano de Instrumentao: planta e corteInstituies Participantes: Universidade do Minho, LNEC, FFCT-UNL Pgina 8 de 17



4. CONCLUSESOs dados apresentados neste relatrio para a definio, quer da aco, quer dos diversos parmetros geomtricos e geotcnicos da estrutura da via e respectiva fundao, pretendem servir de referncia para as anlises de simulao numrica, estticas e dinmicas, a realizar pelas diferentes instituies participantes no projecto com recurso a diferentes softwares. Os valores experimentais das aceleraes verticais serviro validao/calibrao dos resultados dos clculos efectuados. Os dados apresentados neste relatrio possibilitam a validao dos diferentes meios de clculo disponveis nas instituies participantes no projecto, promovendo eventuais harmonizaes. Guimares, 27 de Setembro de 2006

. Doutor Eng. A. Gomes Correia (Professor Catedrtico)

. Eng Nuno Arajo (Assistente Estagirio)

Eng Joo Paulo Martins (Bolseiro de Investigao)

.. Eng Jos Cunha (Colaborador)Instituies Participantes: Universidade do Minho, LNEC, FFCT-UNL Pgina 9 de 17



BIBLIOGRAFIADegrande, G. (2000). Free frield vibrations measurements during the passage of a Thalys high speed train. Internal report BWM-2000-06, Katholiere Universiteit Leuven, Department of Civil Engineering. Degrande, G. e Lombaert, G. (2000). High-speed train induced free field vibrations: in situ measurements and numerical modeling. In International Workshop Wave. Degrande, G. e Lombaert, G. (2001). An efficient formulation of krylos prediction model for train induced vibrations based on the dynamic reciprocity theorem. Journal of Acoustic Society of America, 110:1359-1390. Degrande, G. e Schillemans, L. (2001). Free frield vibrations in the passage of a thalys high-speed train at variable speed. Journal of sound and Vibrations, 247(1):131144.


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ANEXOS

RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA A VELOCIDADE DE 314KM/H




RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA A VELOCIDADE DE 314KM/H2.0x102

1.0x10

2

0.0 Acelerao [m/s ]2

-1.0x10

2

Acelermetro A-1 -2.0x102

0 1 Tempo [s]

2

3

4

5

6

7

8

4.0x10

0

2.0x10

0


-2.0x10

0


0 1 Tempo [s]

2

3

4

5

6

7

8

2.5x10

2

1.3x10

2


-1.3x10

2


0 1 Tempo [s]

2

3

4

5

6

7

8




1.0x102

5.0x10

1


-5.0x10

1


0 1 Tempo [s]

2

3

4

5

6

7

8

1.5x10

0

7.5x10

-1


-7.5x10

-1


0 1 Tempo [s]

2

3

4

5

6

7

8

1.0x10

0

5.0x10

-1


-5.0x10

-1


0 1 Tempo[s]

2

3

4

5

6

7

8




5.0x10

-1

2.5x10

-1


-2.5x10

-1

Acelermetro A-7 -5.0x10-1

0 1 Tempo [s]

2

3

4

5

6

7

8

3.0x10

-1

1.5x10

-1


-1.5x10

-1

Acelerme tro A-8 -3.0x10-1

0 1 Tempo [s]

2

3

4

5

6

7

8

1.0x10

-1

5.0x10

-2


-5.0x10

-2


0 Tempo [s]

1

2

3

4

5

6

7

8




1.0x10

-1

5.0x10

-2


-5.0x10

-2


0 1 Tempo [s]

2

3

4

5

6

7

8

5.0x10-2

2.5x10

-2


-2.5x10

-2


0 Tempo [s]

1

2

3

4

5

6

7

8

3.0x10

-2

1.5x10

-2


-1.5x10

-2

Acelerao A-12 -3.0x10-2

0 1 Tempo [s]

2

3

4

5

6

7

8




2.0x10

-2

1.0x10

-2


-1.0x10

-2


0 1 Tempo [s]

2

3

4

5

6

7

8

1.0x10

-2

5.0x10

-3


-5.0x10

-3


0 1 Tempo [s]

2

3

4

5

6

7

8


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