Estimação de custos de ciclo de vida na infraestrutura ferroviária de alta velocidade Aspectos críticos nas vias de Alta Velocidade Raimundo Delgado Ciência 2008 Encontro com a Ciência em Portugal
1. Introdução No desenvolvimento do Projecto, Construção e Manutenção da Infra-Estrutura de Alta Velocidade importa: Estimar e se possível minimizar o custo final Identificar os aspectos e parâmetros que influenciam avaliação do custo. Caracterizar os aspectos críticos e sua evolução no tempo
1. Introdução MIT-Portugal Program Transportion Systems High-Speed Rail (HSR) Project 1: LIFECYCLE Development of tools for HSR lifecycle costs estimation for track design and maintenance management system (November 2007 October 2010) Project 2: RISK Risk Assessment and Management for High-Speed Rail Systems (November 2007 October 2010)
1. Introdução Project 1: LIFECYCLE Development of tools for HSR lifecycle costs estimation for track design and maintenance management system (November 2007 October 2010) Objectives Using appropriated tools for HSR lifecycle costs (LCC) estimation it is possible to minimize the final cost and, at the same time, to identify the most important aspects, and parameters, that influence the cost evaluation. Research is required not only in LCC modelling but particularly on the estimation of major degradation factors and on the assessment of its impact on maintenance needs.
LIFECYCLE Development of tools for HSR lifecycle costs estimation for track design and maintenance management system Establishment of the necessary requirements and a general methodology for specific Life Cycle Cost Analysis for high speed railway networks To define infrastructure indicators that could be able to better characterize the quality of the railway system from the structural safety, track safety and comfort point of views. Development of a Maintenance Management System adapted to HSR and integrating the information from track state, from behaviour models for the life cycle and from the organisation as active part of the process.
1. Introdução - Work Package 3 In order to demonstrate and optimize impacts on life cycle costs and RAMS (reliability, availability, maintainability and safety), performance indicators of the overall rail system are needed and must be considered in railway design and maintenance. As many factors may influence component degradation rates (loss of quality per unit of time or load) it is hoped to define infrastructure indicators that could be able to better characterize the quality of the railway system from the structural safety, track safety and comfort point of views.
2. Bridges - Performance indicators: Structural safety - The dynamic amplification factor is obtained based on the results of the dynamic analyses: y ' dyn ϕdyn = max 1 y stat 2.0 TGV - Midspan displacement 1.5 1.0 v=255 km/h v=375 km/h Displacement (cm) 0.5 0.0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0 0 2 4 6 8 Time (s)
2. Bridges - Performance indicators: Fatigue - The fatigue check of the structure shall allow for the stress range resulting from elements of the structure oscillating above and below the corresponding permanent load deflection due to: 1) Additional free vibrations set up by impact effects from axle loads traveling at high speed; 2) The magnitude of dynamic live loading effects; 3) The additional cycles of stress caused by the dynamic loading at resonance.
2. Bridges - Performance indicators: Fatigue Fatigue analysis Performed by the damage accumulation method σ 2 2' 4 8 10 8' - Determination of the stress histories - Calculation of the stress spectra 1 3 5 6 5' 7 9 t - Determination of the total damage calculated by Palmgren-Miner rule 1000 n n 1 σ [N/mm 2 ] R Amplitude de tensão 100 1 m=3 160 140 125 112 100 90 80 71 63 56 50 45 40 36 1 2 3 n 2 n 3 n 4 1 m=5 σ1 σ2 σ3 σ4 σ 10 2E+06 5E+6 1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07 1.0E+08 Número de ciclos, N 1.0E+09
2. Bridges - Performance indicators: Track safety The deformation and structure vibration limit states, which aim at ensuring railway track safety, refer to (EN1990 1990-AnnexA2): 1) Vertical acceleration of the deck 2) Torsion of the deck 3) Vertical deformation of the deck 4) Transverse deformation and vibration of the deck
2. Bridges - Performance indicators: Track safety - Vertical acceleration of the deck The maximum permitted peak values of bridge deck acceleration calculated along each track shall not exceed: i) 3.5 m/s 2 ( 0.35g), for ballasted track ii) 5 m/s 2 ( 0.50g), for direct fastened decks Safety factor = 2 For all elements supporting the track it must be considered in calculations frequencies (including consideration of associated mode shapes) up to the greater of: - 30 Hz - 1.5 times the frequency of the fundamental mode of vibration of the member being considered - the frequency of the 3 rd mode of vibration of the member
2. Bridges - Performance indicators: Passengers comfort Passenger comfort (EN1990-Annex A2) Passenger comfort depends on the vertical acceleration b v inside the carriages Level of Comfort Vertical acceleration (m/s 2 ) b v Very good 1,0 Good 1,3 Acceptable 2,0 Generally, for the determination of the acceleration on the carriages a dynamic analysis with the bridge-train interaction could be done.
3. Characterization of traffic and its effects on a short span railway bridge Development and application of a B-WIM (Bridge Weigh-In In-Motion) system which is capable of automatically characterizing railway traffic in terms of geometry, speed and loads per axle of the trains. In the design of new bridges, or in the renewal of existing bridges, it is nowadays generally recognized by the technical community the importance of having available information regarding the characteristics of real traffic circulating in the railways and its dynamic effects in bridges.
3. Characterization of traffic and its effects on a short span railway bridge
3. Monitoring System Instrumentation and data aquisition system Lisboa E7 E8,E9 Porto Legend E1 E3 (E4) E6 optical gauge A1 (A2) A3 (A4) piezoelectric accelometer P4 E2 P5 E5 (a) Porto Lisboa (a) UIC 60 (E7)E8 E9 neutral axis A1 (A3) E1 (E3) A2 (A4) E4 Fibersensing
3. Characterization of traffic and its effects on a short span railway bridge 140 Extensão ( S) 120 100 80 60 40 20 0 E4 E5 E6 Implementation of a B-WIM algorithm: - Geometry - Speed (or acceleration) - Loads per axle of the trains. -20-40 -60 5 6 7 8 9 10 11 12 Tempo (s) The application of the algorithm enabled to create a database with the characteristics of the real traffic in that line section.
4. Transition Zones
4. Transition Zones Velocity 300 km/h Axles 1 e 2 300 Eixo 1 300 Eixo 2 Força de interacção roda-carril (kn) 275 250 225 200 175 150 125 100 E2/E1=5 E2/E1=10 E2/E1=20 35.00 40.00 45.00 50.00 55.00 Posição (m) Velocity 350 km/h Axles 1 e 2 Força de interacção roda-carril (kn) 275 250 225 200 175 150 125 E2/E1=5 E2/E1=10 E2/E1=20 100 35.00 40.00 45.00 50.00 55.00 Posição (m) 300 Eixo 1 300 Eixo 2 Força de interacção roda-carril (kn) 275 250 225 200 175 150 125 100 E2/E1=5 E2/E1=10 E2/E1=20 35.00 40.00 45.00 50.00 55.00 Posição (m) Força de interacção roda-carril (kn) 275 250 225 200 175 150 125 100 E2/E1=5 E2/E1=10 E2/E1=20 35.00 40.00 45.00 50.00 55.00 Posição (m)
4. Transition Zones 300 Eixo 1 Interaction Forces 300 Eixo 1 Força de interacção roda-carril (kn) 250 200 150. 100 Velocity 300 km/h Cobertura 2m Cobertura 1m Cobertura 0m 29.15 34.15 39.15 44.15 49.15 Posição (m) Força de interacção roda-carril (kn) 250 200 150 100 Velocity 350 km/h Cobertura 2m Cobertura 1m Cobertura 0m 29.15 34.15 39.15 44.15 49.15 Posição (m)
4. Transition Zones Força de interacção roda-carril (kn) 300 250 200 150 100 Eixo 1 29.15 34.15 39.15 44.15 49.15 Posição (m) Velocity 300 km/h Interaction Forces Without Trans_300 Trans1-1_300 Trans1-2_300 Força de interacção roda-carril (kn) 300 250 200 150 100 Eixo 1 Velocity 350 km/h Without Trans_350 Trans1-1_350 Trans1-2_350 29.15 34.15 39.15 44.15 49.15 Posição (m)
5. Track-structure interaction on HS railway bridges Description of the phenomena Resistência longitudinal, τ0 Resistência longitudinal, τ0 Lr Comprimento central Lr Comprimento de respiração Comprimento de respiração Esveld, 2001 N, u Tensões normais na via, N(x) Deslocamentos longitudinais relativos, u(x) x
6. Noise and vibrations in the vicinity of HS railway lines Development of numerical tools for the analysis and prediction of noise and vibrations generated by high speed trains Train and track characteristics Irregularities of the track and of the vehicle wheels Consideration of a wide range of trains in order to comply the interoperability requirements (TSI) Application of the numerical tools developed in the analysis and prediction of vibrations to sites located at modernized sections of the national railway network Calibration and experimental validation of these numerical simulations by means of measurements campaigns to be performed at those locations
6. Noise and vibrations in the vicinity of HS railway lines Application of the numerical tools to the study of locations in the outline plan of the future high speed lines (in the vicinity of industrial, residential or business areas, or in protected natural reserves) where problems related with noise and vibrations are likely to occur Study of the most adequate mitigation solutions to each of the studied cases - at the source - at the propagation path - at the structures
7. Actividade do Grupo de Eng.ª Civil Protocolo com a RAVE Actividade 1 Predominantemente de Captação de Know-How Actividade 2 Predominantemente de Actividades de I&D&I - Realização de workshops, palestras, cursos, etc., no âmbito da disseminação do conhecimento e acções de formação - Desenvolvimento de dissertações de Mestrado e Doutoramento no âmbito da formação avançada de recursos humanos
Aspectos críticos na concepção das obras Internacionalização - Consulta de especialistas internacionais, recolhendo conclusões relativamente ao comportamento e desempenho de soluções implementadas noutros países e dos seus potenciais melhoramentos. Neste âmbito foram abordados os seguintes temas: - Via - Obras de arte - Túneis - Vibrações
Internacionalização Total de países - 16 Total de especialistas - 55 América do Evert Norte Hoek Herbert (Univ.Toronto) Einstein (MIT) Japã Tadayoshi o Ishibashi (East Japan Railways) Europa Agostino Marioni Klaus Riessberger (TU Graz) Angel (ALGA) Aparicio (UPC) Ladislav Frýba Antonio Cutillas Laurent (ITAM) Schmitt (SNCF Antonio (UPM,CFC) Fernández (ADIF) Lopez ) Pita (UPC) Axel Klingner (Graband & Partner) Luigi Evangelista B. Kufver (Ferroplan) Manfred (Italferr) Zacher (DB) Coenraad Esveld (TU Delft, Mario Petrangeli (Univ.Rome) Daniel ECS) Dutoit Martin Muncke (DB) Didier (SYSTRA) Martin Nick Barton (Nick Barton & Dimitri (SNCF) Tuinstra (Iv-Infra) Paolo Ass.) Pozzobon Felipe Gabaldón P. Aknin (NITEL) (INRETS) Francisco (UPM) Millanes Paul Marinos G. (UPM,IDEAM) van der Werf (ARCADIS) Paul (Univ.Athens) Norris (Mott Geert Degrande (KU Paulo MacDonald) Teixeira (CENIT, Gerhard Leuven) Harer (HL-AG ) Peter UPC) Schubert (ic) Guido Venturini (SEA Philippe Ramondenc (SNCF) Gunther Consulting) Leykauf (TU Munich Philippe Van Bogaert Hans ) True (TU Copenhagen) Rodríguez (Univ.Ghent) Ortiz Han Vos (Iv-Infra) Serge Montens Hubert Rhomberg Siegmund (SYSTRA) Babendererde (Babendererde Ig Irmina (Bahntechnik) Poeschl (ic) Stephan Freudenstein (RAIL.ONE Johannes Kleberger Tore ) Dahlberg Jorge (ic) Nasarre (ADIF) Josef Daller Tristan (Univ.Linkoping) Moelter (DB) José (ic) Goicolea (UPM) Vicente Cuéllar (CEDEX) Jurgen Siegmann (TU Wasoodev Hoorpah (MIO) Berlin) Wolfgang Unterberger (ic)
Consulta de especialistas HOLANDA TU Delft (1) ARCADIS (1) Iv-Infra (2) BÉLGICA KU Leuven (1) Ghent Univ. (1) REINO UNIDO Mott MacDonald (1) ALEMANHA Graband & Partner (1) TU Munich (1) TU Berlin (1) RAIL.ONE (1) Deutsche Bahn AG (5) Babendererde Ingenieure (1) ESPANHA RENFE (1) ADIF (1) UPC (3) CENIT (1) CEDEX (1) UPM (4) IDEAM (1) CFCsl (2) FRANÇA SNCF (3) INRETS (1) SYSTRA (2) MIO (1) OTUA (1) ITÁLIA NITEL (1) ALGA (1) ITALFERR (1) Univ. Rome La Sapienza (1) SEA Consulting (1)
Aspectos críticos na concepção das obras - Coenraad Esveld, ECS et TUDelft (Holanda) Via - Martin Muncke, Deutsche Bahn AG (Alemanha) - Philippe Ramondenc, SNCF (França) - Antonio Martínez Cutillas, CFCsl et UPM (Espanha) Obras de arte - Josef Daller, IC Consulenten (Áustria) - Herbert Einstein, MIT (Estados Unidos) Túneis - Wolfgang Unterberger, IC Consulenten (Áustria) - Geert Degrande, KU Leuven (Bélgica) Vibrações
Disseminação do conhecimento e acções de formação Workshop Bridges for High-Speed Railways, 3 e 4 de Junho de 2004, FEUP, Porto. Advanced Course Dynamics of High-Speed Railway Bridges, 20 a 23 de Setembro de 2005, FEUP, Porto. Workshop Track for High-Speed Railways, 12 e 13 de Outubro de 2006, FEUP, Porto.
Formação Avançada - Doutoramentos Aplicação de novos conceitos de segurança no dimensionamento de pontes ferroviárias em linhas de alta velocidade - Os recursos económicos disponíveis para a construção, manutenção, reparação e renovação de estruturas são limitados - Falta de estudos que estimem a fiabilidade em relação a estados limites, por exemplo: valores da aceleração que provocam a instabilidade do balastro - A utilização de métodos probabilísticos permite um conhecimento mais aprofundado do comportamento das estruturas e a avaliação (e eventual reavaliação) da fiabilidade das soluções a projectar José Rui Pinto
Formação Avançada - Doutoramentos Tabuleiros pré-fabricados de pontes em linhas ferroviárias de alta velocidade: efeitos da fadiga e das deformações impostas Carlos Sousa - O estudo incide sobre os tabuleiros de pontes em LAV s, construídos com recurso a vigas pré-fabricadas, simplesmente apoiadas ou ligadas em continuidade na zona dos apoios Tabuleiros com vigas U Tabuleiros com vigas I - Aprofundamento do conhecimento acerca do fenómeno de fadiga e da redução de rigidez devida às cargas cíclicas dinâmicas - Avaliação do desempenho das soluções pré-fabricadas existentes e estabelecimento de recomendações para projecto e construção
Formação Avançada - Doutoramentos Sistema de Gestão de Pontes Joana Oliveira As pontes fazem parte do património a preservar e a manter em boas condições de utilização. Para garantir a funcionalidade e a segurança de um parque de pontes é conveniente que se promova o seu acompanhamento periódico e que se implemente um Sistema de Gestão que integre toda a informação recolhida para que, com base nesses dados, se tomem as decisões sobre a manutenção e conservação a implementar ao longo do tempo. Nesse sentido a preparação de ferramentas informáticas de apoio a essas tarefas vem preencher uma lacuna existente, permitindo às instituições com esse tipo de responsabilidades minimizar os custos envolvidos na garantia dos níveis de resposta desejáveis. BRIDGE MANAGEMENT
Formação Avançada - Doutoramentos Transições aterro-estrutura em linhas ferroviárias de alta velocidade Cristina Ribeiro As variações de rigidez vertical da via e os assentamentos diferenciais que se verificam nestas zonas contribuem para o aumento das cargas dinâmicas na via Problemas que poderão surgir: - perda do contacto roda - carril - degradação da via e manutenção mais frequente e dispendiosa - desconforto dos passageiros De entre as zonas mais problemáticas destacam-se: - Transições aterro - estrutura (ponte ou túnel) - Atravessamentos inferiores à linha
Formação Avançada - Doutoramentos Vibrações induzidas por tráfego ferroviário de alta velocidade Nuno Santos As vibrações induzidas constituem uma preocupação do ponto de vista ambiental, podendo provocar: - danos estruturais, - mau funcionamento de equipamentos - desconforto das pessoas. Este problema tem ganho relevância devido a: - rápido crescimento da linha europeia de alta velocidade; - aumento das exigências.
Formação Avançada - Doutoramentos Metodologias de Manutenção de Túneis Cristina Silva Síntese dos principais problemas relacionados com a segurança e a reabilitação de túneis de alta velocidade Deterioração de maciços rochosos, anomalias e causas Modelação de suportes e injecções Controlo da segurança Metodologias de inspecção e de controlo Desenvolvimento de software de manutenção com utilização de técnicas de inteligência artificial (redes Baysianas).
Formação Avançada - Doutoramentos Estudos numéricos e experimentais do comportamento das ferrovias de alta velocidade Pedro Costa Necessidade de abordagens cientificas para o dimensionamento e análise do comportamento da via balastrada; Definição de metodologias que permitam avaliar o comportamento dinâmico do sistema solo-via-veículo; Definição de metodologias que permitam avaliar o comportamento da via a longo prazo, tendo em conta a possibilidade de ser utilizada por veículos com características distintas, nomeadamente tráfego de passageiros e de mercadorias;
Formação Avançada - Doutoramentos Modelação do comportamento cíclico e dinâmico de saibros estabilizados sob tensão com ligantes hidráulicos - Avaliação da influência da tensão de cura na modelação do duplo efeito - Análise do comportamento tensãodilatância para diferentes índices de vazios e tensões confinantes de cimentação Sara Silva - Análise do comportamento de solos ligados face a solicitações cíclicas e (ou) dinâmicas VH-wave BE BE HV-wave HH-wave Bedding plane V-specimen H1-specimen H2-specimen : G VH * : G HH * : G HV * 7.2 Actividades de I&D&I
Formação Avançada - Doutoramentos Caracterização do tráfego ferroviário e dos seus efeitos em passagens inferiores Ricardo Pimentel Implementação de um algoritmo computacional B-WIM ( Bridge Weight-In-Motion ) que permita a detecção automática de: -Velocidade do comboio -Distâncias entre eixos do comboio -Cargas por eixo -Identificação de defeitos na via e/ou nas rodas dos comboios Aplicação ao estudo da PI dos Peixinhos situada no Km 280.845 da linha do Norte com um vão aproximado de 10 m Teste e validação do algoritmo B-Wim com base nas medições efectuadas e no conhecimento prévio das características de tráfego
Formação Avançada - Doutoramentos Implementação de um algoritmo computacional para a análise dinâmica do sistema ponte-comboio Para uma avaliação correcta dos efeitos dinâmicos é necessário dispor de ferramentas de análise numérica que permitam ter em conta a interacção dinâmica ponte-comboio (ou via-comboio) Sérgio Neves Na FEUP existe um algoritmo computacional deste tipo implementado desde 1994 mas que necessita de ser actualizado t = 0.1000 s t = 0.1625 s t = 0.2250 s Implementação e validação de um algoritmo inovador para a realização de análises dinâmicas ponte-comboio, que irá permitir diminuir significativamente os tempos de cálculo
Considerações Finais A instalação da rede ferroviária de AV mobilizará avultados investimentos económicos envolverá um número significativo de meios humanos constitui o grande investimento nas próximas décadas. As exigências que as vias de alta velocidade impõem aspectos de segurança novos tipos de equipamentos soluções construtivas, envolvendo as mais recentes e sofisticadas tecnologias Obrigam a novos desafios da engenharia que é urgente preparar. Técnicos Empresas Instituições de Ensino e Investigação
Considerações Finais A FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto tem como objectivo estratégico o estabelecimento de ligações com o tecido económico e social, acarinhando desde há muitos anos formas de organização interna que privilegiassem áreas ou mercados de actuação e se pudessem especializar na sua missão de interface universidade -sociedade. O desafio colocado a Portugal pela renovação na comunicação ferroviária solicita uma integração de esforços e conhecimentos que ultrapassa as tradicionais barreiras da especialização em engenharia
Considerações Finais Acresce que não existe em Portugal qualquer Escola dedicada exclusivamente ao problema ferroviário (na China, existe uma Universidade!). Não existe nenhum curso de graduação ou mesmo pós-graduação exclusivamente dedicado ao problema tecnológico da ferrovia Considerou-se oportuno estruturar a cooperação entre diversas áreas de especialidade na FEUP e dar a essa cooperação um sentido estratégico.
Considerações Finais Apoiada nas mais valias aportadas pelos institutos, importa considerar tanto os contributos tecnológicos e o contacto com empresas. Com este pano de fundo, apareceu como objectivo estratégico a constituição, no Universo FEUP, de um CSF Centro de Saber da Ferrovia.
Considerações Finais As seguintes entidades... Entenderam formar um consórcio com o objectivo geral de promover a Engenharia Ferroviária e servir as empresas nacionais do sector FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto IC Instituto da Construção da FEUP INESC Porto Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores do Porto INEGI Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial IDMEC Instituto de Engenharia Mecânica, Pólo do Porto
Considerações Finais O Consórcio CSF pretende oferecer: Consultoria avançada multi-disciplinar Criação de know how Disseminação do conhecimento, acções de formação e formação avançada de recursos humanos Actividades de I&D&I (Investigação, Desenvolvimento e Inovação) Estudos especiais Desenvolvimento tecnológico de equipamentos e soluções Parcerias com a indústria Spin-offs empresariais Estruturação de cursos para uma Engenharia Ferroviária
Recursos humanos Coordenação Prof. Raimundo Delgado Prof. Rui Calçada Prof. António Campos e Matos Intervenientes Prof. Aníbal Guimarães da Costa Prof. António Adão da Fonseca Prof. António Silva Cardoso Prof. António Arêde Prof. Afonso Serra Neves Prof. Manuel Matos Fernandes Prof. Nelson Vila Pouca Prof. Paulo Pinto Prof. Pedro Pacheco Prof. Luís Ribeiro e Sousa Prof. Francisco Calheiros Prof. António Abel Henriques Prof. Joaquim Figueiras Prof. António Fidalgo Couto Prof. Américo Pires da Costa Prof. António Viana da Fonseca Prof. Jorge Delgado Prof. Rui Faria Prof. Álvaro Azevedo Prof. Vladimiro Miranda Prof. Mário Jorge Leitão Dr. Francisco Araújo Dr. António Gaspar Dr. Irineu Dias Eng.ª Joana Oliveira Eng.º Diogo Ribeiro Eng.º Carlos Sousa Eng.º Pedro Costa Eng.ª Cecília Vale Eng.ª Wendy Malvar Eng.º Topa Gomes Eng.º José C. Matos Eng.º José Rui Pinto Eng.ª Ana Cristina Ribeiro Eng.º Nuno Santos Eng.º Ilídio Faria Eng.ª Sara Silva Eng.º Carlos César Eng.º José Cunha Eng.º Bruno Coelho Eng.º Helder Figueiredo Eng.º Sérgio Neves Eng.º Ricardo Pimentel Eng.º Romeu Simões 7. Futuras acções (proposta prospectiva)