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UFBA - UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE TRANSPORTES E GEODÉSIA ENG 133 – FERROVIAS
CICLO DE OPERAÇÃO x DIMENSIONAMENTO DO PAVIMENTO FERROVIÁRIO
Bonifácio Neves de Souza Fábio Cardoso Prates
SALVADOR ABRIL DE 2017 1
UFBA - UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE TRANSPORTES E GEODÉSIA ENG 133 – FERROVIAS
CICLO DE OPERAÇÃO x DIMENSIONAMENTO DO PAVIMENTO FERROVIÁRIO
Relatório técnico apresentado como critério para avaliação parcial referente à disciplina ENG133 – Ferrovias. Docentes: Denise Maria da Silva Ribeiro e Jorge Ubirajara Pedreira Júnior
SALVADOR ABRIL DE 2017 2
SUMÁRIO 1
INTRODUÇÃO
4
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DESENVOLVIMENTO
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2.1
Método empírico (convencional)
5
2.2
Método mecanístico
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3
EXEMPLOS DE ESTUDOS DE CASOS
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3.1
Estudo 1
6
3.2
Estudo 2
8
4
CONCLUSÃO
REFERÊNCIAS
10 11
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1 INTRODUÇÃO A volta dos investimentos
no setor ferroviário
em
nosso
país,
e
consequentemente o crescimento do mesmo, é um fato oportuno para que os responsáveis pelo segmento se mobilizem buscando a modernização e adequação às novas tecnologias, de forma a atender à crescente demanda de forma mais eficaz e eficiente. Para tanto, o dimensionamento do pavimento é de extrema importância nesse aspecto, na medida em que o mesmo se torna determinante no bom funcionamento das ferrovias, através de um serviço que atenda as solicitações de forma mais eficiente. Baseado nesse pensamento, este relatório tem como objetivo o estudo do dimensionamento do pavimento ferroviário baseado no ciclo de operação dos trens. Para tanto, são observados dois métodos de cálculo de tensões e esforços solicitantes a fim de proceder com o dimensionamento, a saber, o método empírico (convencional) e o método mecanístico (mais avançado). Os métodos empíricos baseiam-se em formulações adotados pelos autores, adquiridas através de várias experiências em campo ao longo do tempo. Esse método ainda é amplamente utilizado, porém está sendo muito questionados devido à baixa eficácia dos seus resultados, levando-se em conta principalmente os fatores econômicos, visto que o mesmo oferece resultados um tanto quanto conservadores. Muitos críticos atribuem essa ineficiência ao fato dos mesmos usarem o índice de Suporte Califórnia (CBR) como parâmetro, o qual não retrata a realidade do solo brasileiro. Os métodos mecanísticos são de cunho científico e possuem embasamento teórico suficiente para uma análise mais criteriosa e realista do comportamento mecânico do pavimento, devido às intempéries e os ciclos de operação da via, bem como as solicitações de esforços relativas ao conjunto. Pretendemos assim, comparar os métodos, para verificar as vantagens e percalços na utilização de um ou outro método, verificando qual proporciona uma solução mais econômica e eficiente. Ainda serão relatados dois estudos de Caso, que trazem essa comparação entre os métodos, os quais foram procedidos com a utilização de diferentes softwares, sendo que a diferença de resultado gerado pelos mesmos também foram levados em conta para fins de avaliação qualitativa. 4
2 DESENVOLVIMENTO
Com o avanço da tecnologia na área ferroviária o estudo de métodos para o dimensionamento da via permanente é imprescindível, que se tenha uma obra com maior durabilidade, objetivando proporcionar uma visão sistêmica com melhor confiabilidade, manutenabilidade e segurança. Atualmente existem 2 (duas) metodologias para o dimensionamento do pavimento ferroviário, a saber, o método empírico ou convencional e método mecanístico (metodologia cientifica avançada).
2.1 Método empírico (convencional)
Com anos de experiência na construção e estudo do comportamento das ferrovias se propôs o método empírico que até hoje é largamente usado mundialmente, onde foi proposto por Heukelon em 1964 formulações que correlacionam a tensão admissível com o módulo de resiliência (Mr) e o número de ciclos (N). O método empírico sofre grandes críticas devido ao uso dos resultados do ensaio do Índice de Suporte Califórnia (ISC) que não retrata a realidade brasileira, já que o solo e o clima são diferentes de onde foi desenvolvido o estudo (REIS & SILVA, 2014).
2.2 Método mecanístico
O método mecanístico desenvolvida a partir da teoria da elasticidade, utilizando ensaios que simulam os ciclos de aplicação das cargas ao pavimento por meio de softwares como o brasileiro FERROVIA 3.0 que funciona em Windows XP, Geotrack, ANSYS e ABAQUS 6.14. O método mecanístico apresenta uma variedade de resultados para análise do projetista, mas para isso se deve ter em mãos dados confiáveis dos parâmetros de entrada no software. Alguns dos dados de entrada são:
● Dados de entrada referente à grade ferroviária: Dados gerais da Bitola (cm), espaçamento entre dormentes (cm), e módulo de k (kgf/cm); Trilhos: módulo de elasticidade (kgf/cm²); momento de inercia (cm4), área da seção transversal (cm²) e largura (cm); Dormentes: módulo de elasticidade (kgf/cm²), momento de inércia (cm^4), largura (cm), área da seção (cm²), comprimento (cm) e tipo de dormente (monobloco ou bibloco). ● Dados de entrada referente à fundação: Dados gerais: número de camadas e número de incrementos de carga (quantas vezes o programa irá repetir os cálculos); Propriedades das camadas: informação do número da
camada,
espessura (cm), coeficiente de Poisson, coesão (kgf/cm²), ângulo de atrito (graus), número de subcamadas, e informação do tipo de material que compõe a camada. ● Dados de entrada referente às cargas aplicadas: Número de cargas a serem aplicadas, número do ponto nodal, tipos de carga, e valor do carregamento.
3 EXEMPLOS DE ESTUDOS DE CASOS
Será apresentado os estudos acadêmicos mais recentes que confrontam os métodos empírico e mecanístico para podermos analisar a funcionalidade de ambos.
3.1 Estudo 1
No estudo desenvolvido por REIS & SILVA 2014 em um caso hipotético, de uma ferrovia no nordeste do país em que consistiu em comparar o método empírico e mecanístico (software Ferrovia 3.0) mostrou que o método empírico apresenta valores mais conservadores em relação aos resultados das tensões máximas atuantes como pode ser vista na tabela abaixo:
Tensão máxima atuante no topo (kgf/cm²) Camada
Subleito
Reforço do subleito
Sublastro
Método
0,7120 kgf/cm²
1,76 kgf/cm²
3,23 kgf/cm²
0,32 kgf/cm²
0,99 kgf/cm²
1,26 kgf/cm²
44,9%
56,3%
39,0%
convencional Método mecanístico Diferença
Tabela 1 – Tensão máxima atuante no topo das camadas da via (kgf/cm²).
Com uso do método mecanístico poderia se otimizar as camadas do pavimento, permitindo redução de gastos e prazo de implantação da obra. Já que a qualidade do solo requerida (maior CBR) é diretamente proporcional a tensão máxima atuante no topo de cada camada (Ph), tendo em vista a fórmula Heukelon. O método mecanístico apresenta a vantagem de oferecer maiores informações sobre o comportamento e esforços atuantes em cada elemento da via, como pode ser visto
nos resultados abaixo: A figura 1 apresenta os resultados para as pressões de contato entre dormentes e lastro, mostrando que a pressão máxima encontrada foi de 2,88 kgf/cm² (limite 4 kgf/cm², Arema (1999), apud REIS & SILVA (2014).
Figura 1 – Pressões de contato dormentes-lastro (REIS & SILVA, 2014).
O método apresenta os deslocamentos que podem ocorrer nos dormentes e trilhos, onde pode se perceber que os maiores valores são -0,12 cm e - 0,17 cm, respectivamente.
Figura 2 – Deslocamentos nos dormentes e deslocamentos nos trilhos (REIS & SILVA, 2014).
Outra funcionalidade do método é apresentar os momentos fletores atuantes nos trilhos e dormentes como pode ser visto nas figuras 3 e 4.
Figura 3 – Momentos fletores nos dormentes (REIS & SILVA, 2014).
Figura 4 – Momentos fletores nos trilhos (REIS & SILVA, 2014).
Segundo REIS & SILVA (2014) o modelo empírico considera apenas o valor do CBR do subleito como característica para o dimensionamento do pavimento como um todo e faz a análise das camadas de forma individual, descartando as interações entres as mesmas. O software Ferrovia 3.0 o qual foi usado para apresentar os resultados pelo método mecanístico apresentar a desvantagem de não funcionar em computadores superiores ao Windows XP.
3.2 Estudo 2
No estudo realizado por SPADA (2003) na malha ferroviária dos subúrbios da cidade do Rio de Janeiro (FLUMITRENS) tem o objetivo de comparar os métodos teóricos de Zimmermann e Talbot com os métodos computacionais Ferrovia e Geotrack com o uso dos parâmetros do lastro obtidos durante o ensaio com as amostras no estado seco e úmido. A Tabela 2 apresenta os resultados com as condições de contorno desta situação
são a via com as espessuras de camada determinadas quando da realização de abertura de trincheiras e submetida ao carregamento imposto pelo vagão teste quando da realização dos ensaios da viga Benkelman.
Tabela 2 – Tensões de flexão nos trilhos na posição do patim (SPADA, 2003).
No trecho CS foi utilizado unicamente o Ferrovia porque somente este programa admite a adoção de dormentes bi-bloco. O Geotrack só está habilitado para entrada de dados de dormentes do tipo monobloco de madeira ou de concreto.
Tabela 3 – Tensões verticais atuantes e admissíveis no topo do subleito (SPADA, 2003).
Nas Tabelas 4 e 5 são apresentados a situação em que o pavimento ferroviário de cada local estudado foi simulado no que teria sido a sua condição inicial com o carregamento do vagão de passageiro.
Tabela 4 – Módulo de resiliência calculado pelos programas no topo do subleito (SPADA, 2003).
Tabela 5 – Tensões verticais atuantes e admissíveis no topo do subleito (SPADA, 2003).
Pode se perceber nos estudos encontrados por SPADA (2003) que os resultados das tensões atuantes nos métodos teóricos de Zimmermann e Talbot são mais conservadores do que os resultados apresentados pelos softwares, apresentando maiores valores de tensões atuantes. Já no topo do subleito (tabela 3) com o uso do carregamento imposto pelo vagão o software Geotrack apresenta valores bem próximo dos valores encontrados pelo Ferrovia, mas o Geotrack apresenta a desvantagem em não poder usar os dormentes bibloco na simulação. O módulo de resiliência e as tensões verticais atuantes e admissíveis no topo do subleito na simulação que teria sido a sua condição inicial com o carregamento do vagão de passageiro apresenta valores com pouca variação para ambos os softwares.
4 CONCLUSÃO
Da análise dos resultados obtidos pelos exemplos e pelo estudo dos métodos, é possível concluir que os métodos mecanísticos apresentam resultados mais satisfatórios, visto que os mesmos apresentam soluções mais eficazes e econômicas. Fato esse resultante do estudo do solo de forma mais completa, lançando mão de formulação cientifica, levando-se em consideração cada uma das camadas componentes da estrutura bem como suas contribuições e peculiaridades na determinação dos esforços. Destacamos ainda a importância da busca pelo aprimoramento dos métodos de cálculo para dimensionamento da pavimentação, frente as sensíveis alterações nos valores das solicitações, o que gera um impacto significativo nos custos finais das obras de vias ferroviárias.
REFERÊNCIAS
SPADA, J.L.G. Uma Abordagem de Mecânica dos Pavimentos Aplicada ao Entendimento do Mecanismo de Comportamento Tensão-Deformação da Via Férrea. Tese de Doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, 2003.
SILVA, M. A; REIS, A. C. C. Estudo comparativo entre os métodos empírico e mecanístico do dimensionamento de pavimento ferroviário, XXVIII ANPET, Curitiba, 2014.
MOTTA, L.M.G. Método de Dimensionamento de Pavimentos Flexíveis; Critério de Confiabilidade e Ensaios de Cargas Repetidas. Tese de Doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, 1991. DE MEDEIROS, J. M. Dimensionamento de Ferrovia – Estudo de Caso. Trabalho de Conclusão de Curso, UNESC/SC, Criciúma, Santa Catarina, 2010.
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