Simulação dinâmica (laboratório): defeitos da geometria da Via Permanente Jéssica Andrade Prata Prof. Fernando Abecê Prof. Dr. Gilberto Fernandes

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1 Simulação dinâmica (laboratório): defeitos da geometria da Via Permanente Jéssica Andrade Prata Prof. Fernando Abecê Prof. Dr. Gilberto Fernandes

2 DEFEITOS DA GEOMETRIA DA VIA PERMANENTE SUMÁRIO Introdução/Contextualização Embasamento Técnico Desenvolvimento Conclusões/Projeções Referências Técnicas

3 Introdução/Contextualização No funcionamento de uma ferrovia com a parte principal denominada VPF (Via Permanente Ferroviária), destaca-se o contacto roda/trilho, caracterizado pelas sub-superfícies aço/aço e assentados sobre uma plataforma, infra-estrutura indispensável ao conjunto; nesta destaca-se o que possui importância mais significante, denominado lastro da ferrovia. A simulação em laboratório, via equipamento, objetiva reproduzir as ações que solicitam o lastro em uma via permanente ferroviária, incluindo todas as variáveis que provocam alterações no material, vistas em intervalos de tempo muitas vezes menor que em tempo real. Para que o lastro possa apresentar desempenho satisfatório, deve cumprir as funções seguintes, segundo o entendimento de Muniz da Silva (2002):

4 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 equipamento s mecânicos, na reposição do lastro e/ou no seu recondiciona mento Possuir e manter alta capacidade drenante

5 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

6 O monitoramento se estende às camadas de subleito, sublastro e lastro, além das deformações experimentadas pelo trilho e pelo dormente. A instrumentação que compõe o equipamento, com a análise devida de dados obtidos permite o entendimento de: A maneira como o agregado através de sua angularidade e porosidade pode interferir nos ensaios. O desempenho estrutural e o potencial de contaminação e a verificação de rigidez de uma camada de lastro. A resistência dos materiais avaliados com a durabilidade de um pavimento ferroviário.

7 O comportamento mecânico do material do lastro amostrado em várias faixas granulométricas enquanto submetido a carregamentos similares aos aplicados em situação real, inter-relacionados com resultados oriundos de outros ensaios. Diferença entre o comportamento mecânico de um lastro constituído de faixa granulométrica bem distribuída e outro com faixa contínua, e alternando-se, também, os eixos de carregamento.

8 Embasamento Técnico Selig, E. e Waters, J. (1994) Jeffs, T. (1989) 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. 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.

9 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.

10 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 dataloggers); 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 servocontroler hidráulico reproduzindo carregamento variável, em verdadeira grandeza, a carga de cada contato roda/trilho (100 a 200 kn), fonte dos carregamentos cíclicos.

11 Investigar variadas faixas granulométricas de agregados (lastro). Alternativas para carregamento dos eixos, no contato rodatrilho. OBJETIVOS DA INVESTIGAÇÃO Análise: Faixas de britagem x adição de cargas diferentes; variação de materiais de sublastro, trilho, dormente, etc. Consolidação metodológica de experimentação simulada, em escala de tempo real. Comparação entre estudo e simulador, utilizando os registros históricos em escala real.

12 Defeitos da Geometria da VP No caso das condições brasileiras, o lastro possui forte predomínio na responsabilidade pelo nível de resiliência e pelo acúmulo de recalques do pavimento da ferrovia. As principais razões para isto são as elevadas tensões impostas ao lastro e o afofamento decorrente da socaria na operação de manutenção da via. O fino gerado através desta degradação de lastro substitui os espaços vazios da via, diminuindo a plasticidade da camada de lastro. A consequência observada na composição é o ganho de elasticidade do conjunto, em função do acréscimo de rigidez. A diversidade granulométrica (surgimento de finos) será prevista através do equipamento apresentado, fazendo com que a manutenção da camada de lastro seja realizada antes que a VPF fique prejudicada. Várias pesquisas buscaram determinar o módulo resiliente do lastro sob efeito dinâmico e poucas trabalharam na modelagem da deformação plástica do lastro associada com a carga cíclica.

13 Desenvolvimento Para viabilizar e atingir os objetivos projetou-se, dimensionou-se e executou-se o EEDL(f) - Equipamento para Ensaio Dinâmico de Lastro (ferroviário), com o propósito principal de analisar o comportamento mecânico de faixas granulométricas de agregados, utilizadas em lastros ferroviários submetidos a carregamentos cíclicos. Uma caixa metálica rígida, de 1000 x 1000 x 1000 mm, para a preparação 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 o carregamento advindo de uma composição ferroviária, com carga por eixo variando entre 200 e 400 kn; Sistema servo-controller hidráulico para aplicação de carregamentos de roda com intensidade e freqüência pré-estabelecidas;

14 Conjunto de instrumentos para monitoramento de forças, deslocamentos, cargas e tensões relevantes para o estudo; Sistema de aquisição de dados e gerenciamento dos registros dos dados, e administração de resultados dos diversos instrumentos. A tensão vertical cíclica é aplicada pelo MSCH (o mecanismo servo-controller hidráulico), de forma a ser retransmitida ao arranjo trilho/dormente e, em certa profundidade, ao lastro. Células de pressão, posicionadas na interface lastro-sublastro, e nas paredes laterais da caixa de teste, na região ocupada pelo sublastro, permitem o monitoramento das tensões transmitidas às camadas elásticas. Analogamente, placas de recalque com suas bases posicionadas a essas mesmas profundidades possibilitam medir deformações e recalques verticais tanto do lastro como do dormente.

15 I-Foto recente / EEDL (junho2012) SIMULAÇÃO DINÂMICA (LABORATÓRIO):

16 II-Sensor (metal) e vista de cabos SIMULAÇÃO DINÂMICA (LABORATÓRIO):

17 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.

18 III-Preparação de sensor deformação (solo) SIMULAÇÃO DINÂMICA (LABORATÓRIO):

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

20 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 protoequipamentos - 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.

21 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.

22 O equipamento reproduzirá a força-peso equivalente ao de uma roda da composição ferroviária real, no contato roda-trilho, impondo ao lastro o comportamento usualmente assumido na VPF. Cumprido o número de ciclos planejado, sob uma frequência prédeterminada, o material de lastro será retirado do equipamento e ensaiado em laboratório para se conhecer as modificações de granulometria. LASTRO MONITORIAMENTO - ATRAVÉS DOS SENSORES ELETRÔNICOS Umidade Temperatura Rigidez Resistência mecânica SUBLASTRO, SUBLEITO, TRILHO E DORMENTE Perda de flexibilidade

23 O estudo de uma VPF em simuladores, que em alguns casos se pode denominar, também, de "escala reduzida", propicia o balizamento de algumas variáveis que, em escala real, são muito difíceis de controlar ou logística e economicamente, quase impossível: Locação quase perfeita da seção carregada; Controle e incremento de tensões em níveis desejados e controlados; Estabelecimento de correlações matemáticas diversas (deformação x N, tensão x deformação, tensão x deslocamento etc.). Além do que, ainda torna-se possível, com relativa facilidade, a substituição parcial ou total dos materiais ensaiados (notadamente, os que afetam diretamente a estrutura da camada de lastro), e a inclusão de faixas granulométricas distintas a medida que se altere o eixo padrão de carregamento.

24 Conclusões/Projeções Atenção destacada para: As diferenças entre o comportamento mecânico de um lastro constituído de faixa mais fina versus faixa mais grossa, alternando-se também os níveis de carregamento; O efeito da angularidade (ou arredondamento) e da porosidade da brita, principal-mente, sobre o desempenho estrutural da camada de lastro; Verificação acerca das quebras dos grãos do agregado;

25 Verificação acerca da mudança de rigidez do lastro, notadamente, função dos abatimentos (compactação) aumentando a perda da capacidade plástica da camada de lastro; Conhecer acerca do potencial de contaminação do lastro, oriundo da quebra dos grãos do agregado; Assimilação dos parâmetros de resistência desses materiais estudados e sua influência sobre a durabilidade e resistência do pavimento da VPF como um todo; Verificação das alterações dos níveis de tensão versus variação da profundidade na plataforma (bulbo de tensões nas diversas camadas elásticas); Caracterização ambiental do agregado após a degradação sofrida em função do número N (número de contato roda-trilho padrão de tráfego).

26 Referências Bibliográficas ABNT / Associação Brasileira de Normas Técnicas - NBR 5564 / Bhanitiz, A (2007). A Laboratory Study of Railway Ballast Behaviour under Traffic Loading and Tamping Maintenance. Doctor Thesis, University of Nottingham. 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 Pavimentos Ferroviários com Utilização de Solos Finos e/ou Resíduos de Mineração de Ferro Associados a Geossintéticos. Tese de Doutorado. UnB, Indraratna, B. et al. (2006). Geotechnical properties of ballast and the role of geosynthetics in rail track stabilisation. University of Wollongong, Austrália. Indraratna, B. e Salim, W. (2002). Modeling of particle breakage of coarse aggregates incorporating strength and dilatancy. Proceedings of the Institution of Civil Engineers -Geotechnical Engineering, 155, No. 4, Ionescu, D. (2004). Evaluation of the engineering behaviour of railway ballast. University of Wollongong, Austrália.

27 Jeffs, T. (1989). Towards ballast life cycle costing. Proc. 4th International Heavy Haul Railway Conference, Brisbane, pp Lim, W. (2004). Mechanics of Railway Ballast Behaviour. Doctor Thesis, University of Nottingham. United Kingdom. Muniz da Silva, L. (2002). Fundamentos teórico-experimentais da Mecânica dos Pavimentos Ferroviários e esboço de um sistema de gerência aplicado à manutenção da via permanente. Tese de Doutorado. UFRJ, Nurmikolu, A. (2005). Degradation and Frost Susceptibility of Crushed Rock Aggregates Used in Structural Layers of Railway Track. Doctor Thesis of Technology. Tampere University of Technology, Finlândia. Raymond, G. e Bathurst, R. (1984). Research on Railroad Ballast Specification and Evaluation. In: Transportation Research Record 1006, Transportation Research Board, Washington, DC, pp Salim, W. (2004). Deformation and degradation aspects of ballast and the role of geosynthetics in track stabilisation. Phd Thesis. Universidade de Wollongong. Austrália. Selig, E. e Walters, J. (1994). Track Geotechnology and Substructure Management. Thomas Telford Services Ltd. London, United Kingdom.

28 Obrigado!