simulação dinâmica (laboratório): defeitos da...

Simulação dinâmica (laboratório): defeitos da geometria da Via

PermanenteJéssica Andrade Prata

Prof. Fernando Abecê

Prof. Dr. Gilberto Fernandes

SIMULAÇÃO DINÂMICA (LABORATÓRIO): DEFEITOS DA GEOMETRIA DA VIA PERMANENTE

SUMÁRIO

Introdução/Contextualização

Embasamento Técnico

Desenvolvimento

Conclusões/Projeções

Referências Técnicas

Introdução/Contextualização


No funcionamento de uma ferrovia com a parte principaldenominada VPF (Via Permanente Ferroviária), destaca-se o contactoroda/trilho, caracterizado pelas sub-superfícies aço/aço e assentados sobreuma plataforma, infra-estrutura indispensável ao conjunto; nesta destaca-seo que possui importância mais significante, denominado lastro da ferrovia.

A simulação em laboratório, via equipamento, objetiva reproduziras ações que solicitam o lastro em uma via permanente ferroviária,incluindo todas as variáveis que provocam alterações no material, vistas emintervalos de tempo muitas vezes menor que em tempo real.

Para que o lastro possa apresentar desempenho satisfatório, devecumprir as funções seguintes, segundo o entendimento de Muniz da Silva(2002):


Resistir a forças

verticais, laterais e

longitudinais, a fim de

manter a VPF em

condições operacionais

Dotar a VPF de

resiliência adequada

Possuir vazios, em tamanho e

volume, suficientes para alojar materiais

finos de contaminação (por quebra) e

permitir a movimentação

destas partículas finas

Facilitar a recomposição da geometria da VPF, por

equipamentos mecânicos, na reposição

do lastro e/ou no seu

recondicionamento

Possuir e manter

alta capacidade drenante


Diminuir a propagação sonora dos

ruídos causada

pelas composições

Manter adequada resistência

elétrica entre os trilhos

Reduzir as tensões,

principalmente na região de

apoio dos dormentes, a

níveis compatíveis

com a capacidade de

suporte do subleito

Inibir o crescimento de

vegetação (ruinoso para a

capacidade drenante,

resiliência e condições de rolamento da

VPF)

Facilitar a conservação, remodelação e renovação

da VPF


O monitoramento se estende às camadas desubleito, sublastro e lastro, além das deformaçõesexperimentadas pelo trilho e pelo dormente.

A instrumentação que compõe o equipamento,com a análise devida de dados obtidos permite oentendimento de:

A maneira como o agregado através de sua angularidade e porosidade podeinterferir nos ensaios.

O desempenho estrutural e o potencial de contaminação e a verificação derigidez de uma camada de lastro.

A resistência dos materiais avaliados com a durabilidade de um pavimentoferroviário.


O comportamento mecânico do material do lastro amostrado em váriasfaixas granulométricas enquanto submetido a carregamentos similares aosaplicados em situação real, inter-relacionados com resultados oriundos deoutros ensaios.

Diferença entre o comportamento mecânico de um lastro constituído defaixa granulométrica bem distribuída e outro com faixa contínua, ealternando-se, também, os eixos de carregamento.

Embasamento Técnico


Jeffs, T. (1989)

Selig, E. e Waters, J. (1994)

Concluiu, através de ensaios, que a

angularidade do agregado do lastro é o parâmetro de controle mais importante

para as deformações plásticas, superando outros

aspectos como diâmetro máximo, uniformidade

granulométrica e durabilidade.

Ensaios de uma caixa especial para

acondicionamento de lastro, desenvolvida na

Universidade de Massachusetts,

simulando as condições de uma VPF e sob a

ação de carregamento repetido.

Resultados Significativos:• Quebra de

grãos do agregado;

• Mudança na rigidez do lastro;

• Tensões residuais no lastro.


Fernandes, G. (2005)

Experimentações de grupos de agregados com

granulometria mais fina, com uso de carregamentos

cíclicos; indica, então, a melhoria quase certa do

comportamento rígido da VPF e da quebra de grãos do

lastro e da alteração das tensões residuais.

Eisenman et al., (1975), in Salim, (2004), modificado; Raymond, G. e Bathurst, R.

(1984); Indraratna, B. e Salim, W. (2002); Salim, W. (2004); Lim, W. (2004);

Ionescu, D. (2004); Nurmikolu, A. (2005); Indraratna, B. et al. (2006); Bhanitiz, A.

(2007); entre outros

Estudos conduzidos utilizando-se recipientes de paredes rígidas, móveis ou imóveis. A preocupação maior residiu em

determinações dos aspectos do comportamento resiliente e

associações com a introdução de geossintéticos.


A pesquisa em questão intenta a utilização de uma caixa de testes metálica, construída e estruturada para utilização permanente,

no interior da qual está montada uma seção ferroviária-teste constituída de dormente, trilho, lastro (pedregulho, brita), sublastro

(solo arenoso) e subleito (argila compacta) e aparato eletrônico competente e

conveniente (todos os sensores e data-loggers); ainda, faz uso de paredes laterais

móveis, auxiliadas por um sistema de amortecedores, idealizando-se, desta forma,

uma modelagem física mais real do problema; com um mecanismo servo-

controler hidráulico reproduzindo carregamento variável, em verdadeira

grandeza, a carga de cada contato roda/trilho (100 a 200 kN), fonte dos

carregamentos cíclicos.


OBJETIVOS DA INVESTIGAÇÃO

Investigar variadas faixas granulométricas de agregados (lastro).

Alternativas para carregamento dos

eixos, no contato roda-trilho.

Consolidação metodológica de experimentação

simulada, em escala de tempo real.

Análise: Faixas de britagem x adição

de cargas diferentes; variação de materiais de

sublastro, trilho, dormente, etc.

Comparação entre estudo e

simulador, utilizando os

registros históricos em escala real.


Defeitos da Geometria da VP

No caso das condições brasileiras, o lastro possui forte predomíniona responsabilidade pelo nível de resiliência e pelo acúmulo de recalquesdo pavimento da ferrovia. As principais razões para isto são as elevadastensões impostas ao lastro e o afofamento decorrente da socaria naoperação de manutenção da via. O “fino” gerado através desta degradaçãode lastro substitui os espaços vazios da via, diminuindo a plasticidade dacamada de lastro. A consequência observada na composição é o ganho deelasticidade do conjunto, em função do acréscimo de rigidez. A diversidadegranulométrica (surgimento de finos) será prevista através do equipamentoapresentado, fazendo com que a manutenção da camada de lastro sejarealizada antes que a VPF fique prejudicada. Várias pesquisas buscaramdeterminar o módulo resiliente do lastro sob efeito dinâmico e poucastrabalharam na modelagem da deformação plástica do lastro associadacom a carga cíclica.

SIMULAÇÃO DINÂMICA (LABORATÓRIO):DEFEITOS DA GEOMETRIA DA VIA PERMANENTE

Para viabilizar e atingir os objetivos projetou-se, dimensionou-se eexecutou-se o EEDL(f) - Equipamento para Ensaio Dinâmico de Lastro(ferroviário), com o propósito principal de analisar o comportamentomecânico de faixas granulométricas de agregados, utilizadas em lastrosferroviários submetidos a carregamentos cíclicos.

● Uma caixa metálica rígida, de 1000 x 1000 x 1000 mm, para apreparação das camadas de subleito, sublastro e lastro;

● Sistema de reação para as cargas a serem aplicadas;

● Placa rígida para carregamento da superfície do pavimento, simulando ocarregamento advindo de uma composição ferroviária, com carga por eixovariando entre 200 e 400 kN;

● Sistema servo-controller hidráulico para aplicação de carregamentos deroda com intensidade e freqüência pré-estabelecidas;

Desenvolvimento


● Conjunto de instrumentos para monitoramento de forças,deslocamentos, cargas e tensões relevantes para o estudo;

● Sistema de aquisição de dados e gerenciamento dos registros dosdados, e administração de resultados dos diversos instrumentos.

A tensão vertical cíclica é aplicada pelo MSCH (o mecanismoservo-controller hidráulico), de forma a ser retransmitida ao arranjotrilho/dormente e, em certa profundidade, ao lastro. Células de pressão,posicionadas na interface lastro-sublastro, e nas paredes laterais da caixade teste, na região ocupada pelo sublastro, permitem o monitoramento dastensões transmitidas às camadas elásticas. Analogamente, placas derecalque com suas bases posicionadas a essas mesmas profundidadespossibilitam medir deformações e recalques verticais tanto do lastro comodo dormente.


I-Foto recente / EEDL (junho2012)


II-Sensor (metal) e vista de cabos


Montagens Específicas

Locais de posicionamento dos sensores

Strain Gauge / aço - Os sensores foram colados na

alma do trilho (na direção vertical e

horizontal), medirão as

deformações nessas duas

direções.

Strain Gauge / solo

Os carretéis foram colocados no interior das

camadas de sublastro e

subleito, para medir a demanda de compressão.

Célula de Pressão -

Colocadas na interface lastro / sublastro, e nas

laterais da camada de sublastro,

mostrarão as tensões

demandadas pelas camadas

elásticas de solos

LVDT - Mede o deslocamento

vertical do dormente (ele acompanha a

posição do dormente

referenciado, com uma posição

fixa), e a acomodação

vertical da camada de lastro.

Sensor de Umidade e Sensor de

Temperatura -Colocados na

interface subleito / sublastro, para

medir teor de umidade daquela camada de solo e

variação de temperatura.


III-Preparação de sensor deformação (solo)


IV-Célula de pressão, sensor de umidade, sensor de temperatura.


Detalhamento das especificidades

Camadas elásticas -

requisitos para o sub-lastro:

função de reforço do lastro, além

de ajudar a impedir a

contaminação do lastro por

material que pode ascender

do subleito.

Materiais e proto-

equipamentos -especificou-se

que o ambiente / recipiente (aquilo que irá conter a

representação da seção ferroviária em verdadeira

grandeza).

Sistema eletrônico dedicado – condicionamento de sinal

Um condicionador de sinais fornece energia de excitação para o sensor

eletrônico, capta o sinal elétrico emitido por ele e condiciona o nível da corrente elétrica. Filtra os ruídos das estruturas

eletrônicas e ambientais carregados por esse sinal elétrico, para que possa ser

interpretado sem interferências.


Sensores eletrônicos

- Strain gauge para aço

- Strain gauge para solo

- Células de pressão

- Sensor de umidade

- Sensor de temperatura

LVDT

este transdutor indutivo medirá

deslocamentos lineares de ± 2,5mm

e tem repetibilidade de 2,5 µm.

Mecanismo servo-controller hidráulico

O êmbolo do MSCH, mecanismo que

efetivamente impõe o esforço de vinte

toneladas-força sobre o conjunto trilho /

dormente, é acionado por uma prensa

hidráulica, envolvendo uma bomba de

treze CV, com diversos pontos de

check-controll.


O equipamento reproduzirá a força-pesoequivalente ao de uma roda da composição ferroviáriareal, no contato roda-trilho, impondo ao lastro ocomportamento usualmente assumido na VPF. Cumpridoo número de ciclos planejado, sob uma frequência pré-determinada, o material de lastro será retirado doequipamento e ensaiado em laboratório para se conheceras modificações de granulometria.

LASTROMONITORIAMENTO

- ATRAVÉS DOS SENSORES

ELETRÔNICOS

Umidade

Temperatura

Rigidez

Resistência mecânica

Perda de flexibilidadeSUBLASTRO, SUBLEITO, TRILHO E DORMENTE


O estudo de uma VPF em simuladores, que emalguns casos se pode denominar, também, de "escalareduzida", propicia o balizamento de algumas variáveisque, em escala real, são muito difíceis de controlar oulogística e economicamente, quase impossível:

Locação quase perfeita da seção carregada;

Controle e incremento de tensões em níveisdesejados e controlados;

Estabelecimento de correlações matemáticasdiversas (deformação x “N”, tensão xdeformação, tensão x deslocamento etc.).

Além do que, ainda torna-se possível, com relativa facilidade, asubstituição parcial ou total dos materiais ensaiados (notadamente, osque afetam diretamente a estrutura da camada de lastro), e a inclusão defaixas granulométricas distintas a medida que se altere o eixo padrão decarregamento.


Conclusões/Projeções

Atenção destacada para:

As diferenças entre o comportamento mecânico deum lastro constituído de faixa mais fina versus faixamais grossa, alternando-se também os níveis decarregamento;

O efeito da angularidade (ou arredondamento) e daporosidade da brita, principal-mente, sobre odesempenho estrutural da camada de lastro;

Verificação acerca das quebras dos grãos doagregado;


Verificação acerca da mudança de rigidez do lastro,notadamente, função dos abatimentos(compactação) aumentando a perda da capacidadeplástica da camada de lastro;

Conhecer acerca do potencial de contaminação dolastro, oriundo da quebra dos grãos do agregado;

Assimilação dos parâmetros de resistência dessesmateriais estudados e sua influência sobre adurabilidade e resistência do pavimento da VPFcomo um todo;

Verificação das alterações dos níveis de tensãoversus variação da profundidade na plataforma(bulbo de tensões nas diversas camadas elásticas);

Caracterização ambiental do agregado após adegradação sofrida em função do número N(número de contato roda-trilho padrão de tráfego).


Referências Bibliográficas• ABNT / Associação Brasileira de Normas Técnicas - NBR 5564 / 2011.• Bhanitiz, A (2007). A Laboratory Study of Railway Ballast Behaviour under

Traffic Loading and Tamping Maintenance. Doctor Thesis, University ofNottingham. United Kingdom.

• Eisenmann, J. (1975). Railroad Track Structure for High-Speed Lines. In:Proceedings of Symposium of Railroad Track Mechanics and Technology,Princeton University, New Jersey, Pergamon Press.

• Fernandes, G. (2005). Comportamento de Estruturas de PavimentosFerroviários com Utilização de Solos Finos e/ou Resíduos de Mineração deFerro Associados a Geossintéticos. Tese de Doutorado. UnB, 2005.

• Indraratna, B. et al. (2006). Geotechnical properties of ballast and the roleof geosynthetics in rail track stabilisation. University of Wollongong,Austrália.

• Indraratna, B. e Salim, W. (2002). Modeling of particle breakage of coarseaggregates incorporating strength and dilatancy. Proceedings of theInstitution of Civil Engineers -Geotechnical Engineering, 155, No. 4, 243–252.

• Ionescu, D. (2004). Evaluation of the engineering behaviour of railway ballast. University of Wollongong, Austrália.


• Jeffs, T. (1989). Towards ballast life cycle costing. Proc. 4th InternationalHeavy Haul Railway Conference, Brisbane, pp.439-445.

• Lim, W. (2004). Mechanics of Railway Ballast Behaviour. Doctor Thesis,University of Nottingham. United Kingdom.

• Muniz da Silva, L. (2002). Fundamentos teórico-experimentais daMecânica dos Pavimentos Ferroviários e esboço de um sistema degerência aplicado à manutenção da via permanente. Tese de Doutorado.UFRJ, 2002.

• Nurmikolu, A. (2005). Degradation and Frost Susceptibility of CrushedRock Aggregates Used in Structural Layers of Railway Track. Doctor Thesisof Technology. Tampere University of Technology, Finlândia.

• Raymond, G. e Bathurst, R. (1984). Research on Railroad BallastSpecification and Evaluation. In: Transportation Research Record 1006,Transportation Research Board, Washington, DC, pp. 1-8.

• Salim, W. (2004). Deformation and degradation aspects of ballast and therole of geosynthetics in track stabilisation. Phd Thesis. Universidade deWollongong. Austrália.

• Selig, E. e Walters, J. (1994). Track Geotechnology and SubstructureManagement. Thomas Telford Services Ltd. London, United Kingdom.

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