SUBSTITUIÇÃO DO ARMAMENTO DE VIA NA PONTE DONA ?· No contexto do desenvolvimento tecnológico da…

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SUBSTITUIO DO ARMAMENTO DE VIA NA PONTE DONA ANA,

EM MOAMBIQUE. SOLUO NO CONVENCIONAL DE

INTERAO ENTRE A VIA E A ESTRUTURA DA PONTE.

Joo Loureiro1, Francisco Asseiceiro1, Paulo Silveira2

1 Mota Engil Ferrovias, Rua Mrio Dionsio, n2, 2799-557 Linda-a-Velha, Portugal

2 Laboratrio Nacional de Engenharia Civil, Dep. de Estruturas, Av. do Brasil, 1700-066 Lisboa, Portugal

Sumrio

A adaptao de antigas ferrovias a mais exigentes condies de operao pode colocar desafios interessantes,

designadamente quando uma ponte metlica com extenso significativa impe especificidades na instalao do

armamento de via. Neste trabalho apresenta-se o processo que conduziu soluo no convencional que permitiu

dar total continuidade barra longa soldada da plena via, sobre uma ponte metlica com cerca 3,7 km de

comprimento sem aplicao de quaisquer aparelhos de dilatao de via. A soluo fundamentou-se na avaliao

detalhada da interao via-estrutura e culminou com ensaios de comprovao em campo, aps o que a ponte

entrou em pleno funcionamento.

Palavras-chave: Via-frrea; Interaco via-estrutura; Barra longa soldada; Fixao permissiva; Ponte metlica

1 INTRODUO

No contexto do desenvolvimento tecnolgico da poca, muitas das pontes ferrovirias construdas at ao segundo

quartel do sculo passado so de estrutura metlica, na qual era instalada a via-frrea com juntas, constituda por

carris em barra curta. Este tipo de via adequava-se s menores cargas por eixo e velocidades de circulao, quando

as variaes bruscas da rigidez vertical entre a via balastrada e a via assente na estrutura metlica tinham menos

expresso na perceo do conforto e nos custos de manuteno.

Os movimentos, nas juntas estruturais da ponte metlica e nas juntas dos carris, decorrentes das variaes trmicas

e dos esforos de arranque e frenagem do material circulante, repercutem-se no estado de tenso dos carris afetando

as folgas das juntas, a tenso dos sistemas de fixao entre carril e travessa, e entre esta e a estrutura metlica onde

est apoiada. Cumulativamente estes fenmenos danificam os componentes do armamento, degradam a qualidade

geomtrica da via e as condies de circulao, induzindo assinalvel incremento de esforos dinmicos sobre a

estrutura.

A identificao exaustiva das anomalias que se observam em cada um dos componentes da via das pontes metlicas

em operao nas condies iniciais, permitiu perspetivar o itinerrio do processo de estudo que conduziria

otimizao da interveno de modernizao para os novos requisitos associados aos aumentos da carga mxima

por eixo, da velocidade e da frequncia, particularmente no que respeita instalao dos elementos de

superestrutura, o que requeria informao detalhada do modelo estrutural da ponte, das caractersticas dos

componentes do armamento de via e das condies geomtricas do traado no troo onde est inserida.

Apresenta-se neste trabalho o estudo desenvolvido desde a identificao das dificuldades da aplicao de solues

conhecidas para a instalao do armamento de via at a identificao da soluo no convencional que viabilizou

a aplicao de barra longa soldada na Ponte Dona Ana, na Linha de Sena, em Moambique; trata-se de uma ponte

ferroviria com quase trs mil e setecentos metros, a mais extensa do mundo data da sua construo na dcada

de 30 do sculo XX.

Para a confirmao e fundamentao tcnica das vertentes mais inovadoras da soluo, a Mota Engil Ferrovias

solicitou a colaborao do Laboratrio Nacional de Engenharia Civil, que realizou ensaios de laboratrio,

2

modelao numrica e ensaios de campo na soluo implementada, aps o que a Ponte Dona Ana foi colocada em

servio com as novas condies de operao.

2 CASO DE ESTUDO

2.1 Enquadramento

A Ponte Dona Ana situa-se ao km 293 da Linha de Sena, em Moambique, no troo que une a estao de Sena

estao de Mutarara, respetivamente, na margem sul e na margem norte do rio Zambeze (Fig.1). Trata-se de uma

estrutura construda entre 1931 e 1935, constituda por 102 tramos metlicos.

A substituio do armamento de via na Ponte Dona Ana, tendo em vista o aumento das condies de segurana da

circulao ferroviria e a reduo dos custos de manuteno, fazia parte integrante do conjunto de obras de

reabilitao e modernizao da Linha de Sena, entre as jazidas de carvo em explorao nas proximidades de

Moatize, na provncia de Tete, e o porto da Beira, em Sofala, na extenso total de 575 km, capacitando a

infraestrutura para o transporte anual de vinte milhes de toneladas de carvo em comboios constitudos por 100

vages e cinco locomotivas do tipo GE GT26.

A interveno realizada na Linha de Sena, cuja bitola de 1067 mm, conferiu ao armamento de via caractersticas

adequadas aos novos requisitos, como travessas de beto espaadas de 65 cm na plena via corrente e travessas de

madeira sobre as pontes e pontes metlicos com o espaamento de 60 cm, carris de 45 kg/m onde se manteve o

carril existente, e de 54 kg/m onde existia carril 40 kg/m que foi substitudo. O sistema de fixaes Pandrol com

excepo do que veio a ser aplicado nas duas pontes metlicas de maior vo pelas razes que adiante se

desenvolvem. A velocidade de circulao de 60 km/h para os comboios de carvo com o peso por eixo de 20,5 t

e de 80 km/h para os comboios de passageiros.

Fig.1. Linha de Sena e Ponte Dona Ana

Numa primeira fase dos estudos que agora se apresentam, efetuou-se na Ponte Dona Ana uma inspeo inicial aos

componentes do armamento de via com o objetivo de identificar, em cada um deles, as anomalias e as respetivas

causas.

As condies foram identificadas como muito redutoras da vida til de cada um dos componentes da superestrutura

de via, penalizantes para a estrutura da ponte, inseguras para a operao ferroviria e particularmente potenciadoras

dos custos de manuteno.

Na sequncia desta fase de anlise, passou-se ao estudo da soluo global a adotar com vertentes mais

convencionais como as de fixao das travessas estrutura metlica da ponte, e outras mais inovadoras

relacionadas com a constituio da barra longa soldada e a fixao dos carris s travessas da via.

3

2.2 Caracterizao estrutural

A obra constituda, em termos genricos, por viadutos de acesso nas margens norte e sul e pelo troo da ponte

propriamente dita, (Fig. 2) cuja extenso total perfaz cerca de 3680 m distribudos da seguinte forma:

- Viaduto Sul: 48 tramos de 9,70 m, 7 tramos de 12,10 m e 1 tramo de 12,85 m;

- Ponte sobre o rio Zambeze: 7 tramos de 50,30 m e 33 tramos de 80,00 m;

- Viaduto Norte: 6 tramos de 20 metros.

A estrutura dos tramos constituda por vigas simplesmente apoiadas de alma cheia nos viadutos de acesso e

treliadas na ponte.

a) b)

c) d)

Fig. 2. a) Viaduto sul (Sena); b) Ponte: Vo de 50 m (Viga tipo Pratt);

c) Ponte: Vo de 80 m (Viga tipo Parker); d) Viaduto norte (Mutarara)

No mbito de outros estudos realizados no quadro da interveno geral, a Mota Engil Ferrovias dispunha j de

informao pormenorizada sobre os elementos estruturais de cada tramo da ponte, designadamente cordas,

montantes, diagonais e travamentos, com representao detalhada de seces, cortes, alados e plantas das faces

superior e inferior [1].

2.3 Armamento de via existente

O armamento de via era constitudo por carris de perfil 45RR com 12 ou 24 m de comprimento, ligados por barretas

de seis furos.

Os carris de rolamento encontravam-se assentes em chapins fixados com pregao s travessas, que por sua vez

se encontravam fixadas estrutura por meio de um perno, que as atravessava, e que possua uma garra na sua

extremidade inferior.

Na inspeo realizada, foram encontradas numerosas anomalias (Fig. 3) das quais se destacam soldaduras de carril

defeituosas, deformaes na superfcie de rolamento, juntas desreguladas, umas demasiado abertas outras topadas

e desalinhadas com esmagamento da cabea do carril e at coladas por escorregamento de material devido s

cargas dinmicas.

Muitas travessas encontravam-se partidas devido ao esforo a que estavam sujeitas pelos movimentos

longitudinais dos carris, pela ausncia de fixaes que se vo perdendo pela prpria movimentao das travessas,

4

pela ineficincia e desadequao do perno que as deveria solidarizar longarina e pelo consequente

desquadramento e desregulao de espaamento das travessas, que aquele dispositivo no evita.

a) b) c)

d) e) f)

Fig. 3. a) Soldadura mal executada; b) Junta topada e carril deformado; c) Junta aberta; d) Efeitos do

cordo de soldadura no retirado; e) Encosto da travessa carlinga; f) Perno de fixao da travessa

Estas anomalias, associadas e agravadas pelas aes dinmicas delas decorrentes e pela elevada rigidez da via,

com apoio direto estrutura metlica, tinham como consequncia um baixo padro de qualidade na circulao

com necessidade de imposio de restrio de velocidade para garantia da segurana e implicavam um elevado

esforo de manuteno para a sua correo.

Fig. 4. Deficiente posio e espaamento de travessas na mudana de tramo

Estes fatores conduziram deciso de substituio do armamento de via existente por uma nova soluo que

mitigasse os problemas encontrados.

O armamento de via desta ponte inclui carris de segurana para conteno de material circulante descarrilado e

uma chapa central como plataforma pedonal para o pessoal de inspeo. Estes componentes complementares,

embora objeto de interveno adequada, pouco interferem com o caso de estudo que aqui se apresenta.

5

3 NOVO ARMAMENTO DE VIA

Na sequncia da anlise aos dados da inspeo realizada, concluiu-se que a substituio do armamento de via

deveria incluir a adoo de um eficaz sistema de fixao das travessas estrutura e a aplicao de carril em barra

longa soldada (BLS) com soldaduras realizadas de acordo com os melhores padres de qualidade.

O armamento de via que veio a ser instalado (Fig. 5) constitudo por carril 54E1 assente em BLS, unido s

travessas da via por fixaes elsticas, umas no permissivas e outras permissivas do movimento longitudinal do

carril devido s aces trmicas. A fixao das travessas estrutura composta por cutelos, cantoneiras e ganchos,

e por palmilhas de borracha para apoio elstico das travessas nas longarinas da ponte.

3.1 Sistema de fixao das travessas

O sistema de fixao das travessas consiste na adaptao do sistema usado nas pontes metlicas [2] da Rede

Ferroviria Portuguesa, dado o seu bom desempenho, com mais de trinta anos de aplicaes.

Fig. 5. Fixao de travessas na mudana de tramo. Corte transversal do armamento de via

O travamento garantido por cutelos soldados estrutura e fixados por aperto mecnico s cantoneiras colocadas

na face superior das travessas. O apoio elstico efetuado com a interposio de palmilha de borracha com 2 cm

de espessura entre a base da travessa e a longarina. O espaamento de referncia de 60 cm entre travessas foi

ajustado com ligeiras diferenas nas zonas das carlingas e nas mudanas de tramo.

3.2 Condicionantes da soluo convencional de BLS

Na soluo convencional a BLS da plena via corrente balastrada seria interrompida junto aos encontros da obra de

arte com aparelhos de dilatao de via (AD). Sobre a obra de arte metlica existiria uma BLS independente, no

ligada da plena via, entre aqueles dois AD.

Contudo, verificou-se que devido extenso da estrutura metlica, 3677 m, o curso dos AD seria superior ao

adotado nas solues correntes.

A barra de carril na situao ideal de dilatao livre est sujeita a alongamentos ou encurtamentos, L,

proporcionais ao seu comprimento L, medido a uma dada temperatura inicial, ao coeficiente de dilatao linear do

ao do carril, D, e variao da temperatura em relao ao seu valor inicial, T, de acordo com a expresso que

traduz a lei da dilatao linear, L = L D T.

No caso da Ponte Dona Ana, as barras de carril com 3677 m consideradas solidarizadas com a estrutura na

proximidade do meio da ponte teriam dois comprimentos dilatveis de 1840 m.

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Admitindo os carris assentes temperatura mdia da amplitude trmica local, o valor de L seria da ordem dos

50 cm, dimenso superior ao curso das lanas dos AD correntes (Fig. 6), comprometendo o objetivo de se adotar

uma soluo de baixo custo de manuteno.

Fig. 6. Aparelho de dilatao de via (bidireccional)

Admitiu-se ento colocar mais um AD a meio da ponte, estabelecendo duas BLS de 1840 m sobre a estrutura

metlica. Cada uma destas BLS, considerada solidarizada a meio da sua extenso, teria dois comprimentos

dilatveis de 920 m, de que resultariam movimentos nas lanas dos trs AD dentro dos valores normais para

solues correntes (Fig. 7).

Fig. 7. Distribuio das BLS e dos AD na hiptese preliminar

Porm, graves condicionantes vieram a revelar-se penalizadoras para estas hipteses de partida; uma primeira

limitao decorre da fixao dos carris estrutura na zona central de cada uma das duas BLS.

A fixao dos carris das BLS sobre a ponte seria efetuada com fixaes permissivas para que, devido s aes

trmicas, os carris pudessem movimentar-se longitudinalmente, de forma independente da estrutura.

No entanto, h que compatibilizar essa liberdade de movimento longitudinal do carril, para responder s

solicitaes trmicas, com a necessidade de o fixar estrutura para responder aos esforos de arranque e frenagem

[3] do material circulante.

Na hiptese inicial, admitiu-se que os locais de fixao dos carris estrutura se situassem na zona central de cada

BLS, constituindo simultaneamente a zona de separao das duas partes dilatveis de cada uma.

Contudo, verificou-se que a extenso de fixao dos carris estrutura metlica da ponte estava condicionada pelo

modelo estrutural dos tramos simplesmente apoiados das vigas treliadas. Apenas na proximidade do apoio fixo,

ou entre apoios, (conforme estudo a desenvolver se a hiptese preliminar tivesse continuidade) de um dos tramos

centrais se concentraria a fixao de to longas barras estrutura da ponte.

A esta condicionante veio juntar-se uma segunda quando foi conhecido o perfil longitudinal da ponte; ao longo

dos 1400 metros centrais da estrutura metlica existe uma pendente de cinco milsimas atravs da qual vencido

um desnvel de 7 metros (Fig. 8).

7

A questo problemtica da fixao dos carris estrutura para adequar o sistema aos esforos de arranque e

frenagem dos comboios, agravada com esta particularidade do perfil longitudinal, pois as circulaes carregadas

com carvo passam sempre no sentido a descer, e as vazias, obviamente no sentido inverso, a subir.

Fig. 8. Esquema do perfil longitudinal da ponte

Acresce que se constata localmente que os maquinistas dos comboios carregados usam sistematicamente a

frenagem quando atravessam a ponte.

Estas circunstncias, associadas s previsveis exigncias de manuteno dos AD nestas condies de utilizao,

determinavam o abandono da soluo convencional de constituio da BLS admitida na fase preliminar quando

ainda se desconheciam as condicionantes presentes.

3.3 Soluo no convencional de BLS

Dada a importncia da Ponte Dona Ana, do trfego anual previsto de 20 milhes de toneladas de carvo e do

conjunto de obras de reabilitao ento em curso na Linha de Sena, foi inevitvel colocar-se o desafio de encontrar

uma soluo que teria de ser inovadora para a constituio da BLS, contnua, sem quaisquer AD, sobre toda aquela

extensa estrutura metlica.

Uma vez que os tramos da ponte so simplesmente apoiados, foi colocada a hiptese de que essa condio

conjugada com um certo modo de aplicao do sistema KS da Vossloh, com fixaes permissivas SKLU12 e no

permissivas SKL12, pudesse consistir um ponto de partida para a soluo no convencional de constituio da

BLS.

a) b) c)

Fig. 9. Sistema KS da Vossloh: a) Montagem; b) Componentes da verso permissiva com grampo SKLU12;

c) Componentes da verso no permissiva com grampo SKL12

O estudo dessa possibilidade requeria conhecimento mais profundo do modelo estrutural dos vrios tipos de tramos

da ponte, das tenses caractersticas das fixaes permissivas e das no permissivas disponveis, com vista a um

adequado clculo estrutural que permitisse estimar os efeitos da interao entre o carril e a estrutura decorrentes

da soluo a adotar [4].

8

Chegados a esta fase, a Mota Engil Ferrovias solicitou ao Laboratrio Nacional de Engenharia Civil (LNEC)

colaborao com o objetivo de averiguar a viabilidade de se constituir a BLS sem os AD sobre a Ponte Dona Ana

utilizando aqueles dois tipos de fixao.

O LNEC, que j dispunha de exaustiva informao sobre a modelao estrutural e das condies de servio [5] da

ponte no mbito de precedentes colaboraes solicitadas pela Mota Engil Ferrovias, procedeu, numa primeira

fase, a ensaios de fora-deslocamento dos sistemas de ligao travessa-estrutura e carril-travessa com os dois tipos

de fixao do sistema KS da Vossloh (Fig. 9) num prottipo escala real, de um trecho de fixao da via ao banzo

superior da viga de apoio [6].

.

Fig. 10. Locomotiva GE GT26 CU2 e par de vages HL6

O prosseguimento do estudo da interao entre a via e a estrutura realizado pelo LNEC com base em modelos

tridimensionais de elementos finitos para as aes condicionantes da variao de temperatura e da circulao

ferroviria, (Fig. 10) veio a demonstrar e a fundamentar a viabilidade da soluo de fazer passar sobre a ponte a

BLS da plena via corrente, sem quaisquer interrupes, no sendo assim aplicados os AD, como era

pretendido [7].

O modo e a extenso de aplicao de cada fixao a utilizar ao longo de cada tramo foi determinado em funo

dos valores estimados para a sobretenso no carril causados pela interao com a estrutura. Para as condies mais

desfavorveis na seco de carril mais tracionada, foi efetuada a verificao da dimenso da abertura no plano de

rolamento motivada por uma acidental fratura de carril em resultado da ao trmica e da frenagem.

Fig. 11. Distribuio dos dois tipos de fixao nos tramos de 50 m

Na Fig. 11, a distribuio de fixaes ao longo do tramo de 50 m exemplifica o conceito adotado na generalidade

dos tramos, embora com as adequadas adaptaes em cada tipo de tramo ou ligao entre tramos diferentes

(Fig. 12).

Como se pode observar, as zonas dos apoios tm fixao permissiva, ficando a barra agarrada estrutura com

fixao no permissiva nas zonas de meio vo, sendo as extenses de cada tipo de fixao determinadas em funo

dos valores do intervalo das sobretenses de referncia.

9

Aps a concluso da obra de remodelao, procedeu-se a ensaios de campo (Fig. 13) com instrumentao

estrutural.

Os ensaios permitiram comprovar as hipteses admitidas na modelao numrica efetuada, atravs da avaliao

das tenses resultantes da circulao ferroviria e das aes trmicas ambientais.

Fig. 12. Distribuio de fixaes na ligao entre o tramo de 50 m e o tramo de 80 m

Como se pode observar na imagem seguinte, os grampos SKLU12 da fixao permissiva distinguem-se pela cor

verde, ao passo que os grampos SKL12 da fixao normal, no permissiva, tm a cor tpica do ao.

Fig. 13. Ponte Dona Ana. Obra executada e ensaios de comprovao em campo

Toda a substituio do armamento de via foi realizada em perodos dirios de interdio de operao, circunstncia

que condicionou o processo construtivo e algumas das solues tcnicas.

Aps a validao obtida com os resultados dos ensaios de campo [8], a Ponte Dona Ana entrou em pleno

funcionamento.

Nas inspees peridicas ser dada particular ateno s zonas da via mais solicitadas em termos de sobretenses,

que se situam nas zonas sobre as juntas de dilatao existentes entre tramos e junto aos encontros.

4 CONCLUSES

A substituio do armamento de via na Ponte Dona Ana, em Moambique, constitudo por barra curta ligada por

barretas, veio a ser feita com um sistema de barra longa soldada, contnua, unindo a plena via de ambos os lados

da obra de arte, passando sobre ela sem interrupes, no necessitando de aparelhos de dilatao de via.

Desta forma, foi possvel atingir um elevado patamar de melhoria das condies de segurana da circulao com

eliminao das restries de velocidade e reduo dos custos de investimento e de manuteno.

10

O aspeto inovador da soluo adotada implicou uma anlise detalhada dos efeitos da interao entre a via e a ponte

com a necessria considerao do comportamento no-linear na interao entre o carril e a estrutura.

Fig. 14. Obra executada na Ponte de Nangue

O estudo das condies de instalao da nova superestrutura na Ponte Dona Ana, com a relevante colaborao do

LNEC, permitiu incorporar os respetivos conhecimentos tcnicos na Mota Engil Ferrovias, que aplicou j esta

soluo inovadora numa outra ponte, a Ponte de Nangue, (Fig. 14) com estrutura metlica em viga de alma cheia

e cinco vos de 28 metros, situada ao km 228+600 da Linha de Sena.

5 AGRADECIMENTOS

Este estudo foi desenvolvido no mbito da modernizao da Linha de Sena promovida pela empresa

CFM - Portos e Caminhos de Ferro de Moambique.

6 REFERNCIAS

1. Oliveira, Andr; Xu, Min; Silveira, Paulo Levantamento Geomtrico e Modelao Estrutural da Ponte Dona Ana, sobre o Rio Zambeze, em Moambique, Relatrio123/2012-NOE, LNEC, 2012.

2. REFER, Norma Tcnica 4/b REFER, EPE, Lisboa, 1986.

3. UIC CODE 774-3 Track/bridge Interation Recomendations for calculations, 2nd edition, 2001.

4. Esveld, C., R.C.M. Delhez, P . Godart and J. Mijs: Avoidance of expansion joints in high-speed CWR track on long bridges. Rail Engineering International, 1995, nr 3, p.7-9.

5. Silveira, Paulo et al. Estudo sobre as condies de servio da Ponte Dona Ana, sobre o Rio Zambeze em Moambique, Relatrio 143/2012-NOE, LNEC, 2012.

6. Oliveira, Pedro; Pipa, Manuel; Silveira, Paulo - Ensaios de Reteno Longitudinal dos Sistemas de Fixao do Armamento de Via e dos Carris da Ponte de Dona Ana, Relatrio 285/2014-DE/NOE, LNEC, 2014.

7. Silveira, Paulo et al. Ponte Dona Ana - Interao entre a via e a estrutura, Relatrio 286/2014-DE/NOE, LNEC, 2014

8. Silveira, Paulo et al. Ponte Dona Ana Ensaio de Interao entre a via e a estrutura, Relatrio 141/2015-DE/NOE, LNEC, 2015

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