Introdução

As atividades extrativas de carvão realizadas na Inglaterra no século XVII deram origem às ferrovias, em que os primeiros transportes utilizavam tração animal em veículos orientados sobre trilhos. Além disso, a invenção da máquina a vapor permitiu significante evolução nas ferrovias, criando-se os primeiros protótipos de locomotivas e viabilizando a tração mecânica nos vagões de carga.

As primeiras ferrovias possuíam seus trilhos apoiados em blocos rígidos e, em alguns casos, diretamente no solo. Contudo, este modelo construtivo apresentava diversos problemas em relação à durabilidade da via. Para que estes problemas fossem sanados, os engenheiros da época perceberam que eram necessários suportes mais resilientes e capazes de absorver os impactos oriundos da operação.

Para melhorar a resiliência dos elementos de infraestrutura da via permanente, foi definida a necessidade do conjunto dormente e lastro. Para que um material possa ser usado como lastro, este deve possuir características como:

• Resiliência, rigidez adequada e capacidade de distribuir os esforços de operação;
• Capacidade de suportar e proporcionar estabilidade para os esforços laterais e longitudinais e de manter a geometria da via;
• Capacidade de escoar águas pluviais.

Dessa forma, é evidente a importância destes elementos na infraestrutura ferroviária, sendo necessários cuidados tanto com seu correto dimensionamento quanto com sua manutenção em operação.

A passagem de vagões e carros de passageiros geram esforços longitudinais, laterais e verticais devido ao contato roda-trilho, transferindo assim as cargas para os dormentes e lastro da via permanente. Estas cargas causam a deterioração principalmente do lastro, gerando elementos mais finos e modificando o módulo de via. Conhecer os carregamentos auxilia na definição dos parâmetros de manutenção.

Desenvolvimento

A definição das cargas verticais atuantes na via permanente é calculada de forma estática, por meio do peso do vagão e de seus componentes mais sua carga de material. Contudo, existem os movimentos dinâmicos do vagão de yaw, pitch e roll. Cada um destes movimentos é caracterizado por rotações em torno dos 3 eixos do vagão e acontecem devido à transferência de massa do sistema de amortecimento e da própria dinâmica ferroviária diminuindo ou aumentando as cargas nas rodas conforme ilustra a Figura 1 e Figura 2.

Esta alteração de carga, também chamado de fator de amplificação dinâmico (F_d), é definida como a razão entre a carga dinâmica (C_d) e a carga estática (C_e), conforme equação a seguir.

Estes valores de carga podem variar ao longo da ferrovia, devido à degradação do lastro já existente, a fatores geotécnicos da região e a mudanças de rigidez do sistema, como entradas e saídas de pontes ferroviárias, defeitos na via e nos materiais rodantes. Com o intuito de obter os valores reais dos coeficientes de amplificação, é possível realizar um estudo experimental para coleta de dados in loco ao longo da ferrovia. Confira a seguir um dos trabalhos feitos pela Kot!

Case de sucesso: Determinação do fator de amplificação dinâmico de uma ferrovia

Para realizar a coleta de dados dos fatores de amplificação dinâmico durante a passagem de composições ferroviárias sobre a via foram instalados extensômetros no trilho, conforme a Figura 3.

A aquisição de dados permitiu verificar a deformação no trilho, causadas pelas cargas verticais devido à passagem de cada roda da composição, conforme Figura 4. Com esses dados, pode-se efetuar uma análise de elementos finitos e aplicar as cargas para verificação dos dormentes e lastro da região analisada.

Para a definição dos carregamentos estáticos, uma composição carregada passou no local instrumentado com velocidade de 5 km/h. A partir destes dados, foram coletados os valores de carga nos trilhos de 20 rodas para obter a média de esforços estáticos com o intuito de remover possíveis efeitos de desbalanceamento de carga, defeitos de roda, entre outros.

Após a definição das cargas estáticas, a composição foi medida nas velocidades de operação no trecho para coleta de dados do fator dinâmico da via em questão.

Por meio de cálculos estatísticos foram definidos os limites de controle superior e a média dos dados para a construção do gráfico da Figura 5, apresentado a seguir.

Conclusão

A coleta de dados permitiu verificar as reais cargas atuantes nos componentes da via permanente. O maior fator de amplificação de carga encontrado no trecho avaliado foi de 1,3, condizente com a literatura (vide Figura 6) para velocidades de até 60 km/h, adotadas nas ferrovias brasileiras.

Os fatores dinâmicos inferiores a 1 são esperados e normais, e não necessariamente correspondem a valores irreais. Os vagões apresentam vários modos de corpo rígido, como movimento de pitch e roll, além das cargas de impacto atuantes nos engates, que causam excitações, resultando em variações nas cargas atuantes nos truques.

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