1. Evolução da infraestrutura ferroviária e o papel do lastro

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. Posteriormente, a invenção da máquina a vapor permitiu significante evolução da infraestrutura ferroviária, criando-se os primeiros protótipos de locomotivas e viabilizando a tração mecânica nos vagões de carga.

The first railroads had their tracks supported on rigid blocks and, in some cases, directly on the ground. However, this construction model presented several problems in terms of track durability. In order to remedy these problems, the engineers of the time realized that more resilient supports were needed, capable of absorbing the impacts of operation.

In order to improve the resilience of the infrastructure elements of the permanent way, the need for a sleeper and ballast set was defined. For a material to be used as ballast, it must have characteristics such as:

• • Resilience, adequate rigidity and the ability to distribute operating stresses;

• • Ability to withstand and provide stability for lateral and longitudinal stresses and to maintain the geometry of the road;

• • Capacity to drain rainwater.

The importance of these elements in the railway infrastructure is therefore evident, and care must be taken both with their correct dimensioning and with their maintenance during operation.

The passage of wagons and passenger cars generates longitudinal, lateral and vertical stresses due to wheel-rail contact, thus transferring loads to the sleepers and ballast of the permanent way. These loads cause the ballast to deteriorate, generating thinner elements and changing the track modulus. Knowing the loads helps define maintenance parameters.

 

2. Entendendo os efeitos de Yaw, Pitch e Roll nas cargas ferroviárias

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. Além disso, 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.

Figura 1: Eixos de rotação de yaw, pitch e roll.
Fonte:FUNCTIONALITY ANALYSIS OF DERAILMENT CONTAINMENT PROVISIONS THROUGH FULL-SCALE TESTING—I: COLLISION LOAD AND CHANGE IN THE CENTER OF GRAVITY. Applied Sciences, v. 12, n. 21, 2022. Disponível em: https://www.mdpi.com/2076-3417/12/21/11297. Acesso em: 26 nov. 2024.

Figure 2: Reduction/increase in wheel load due to dynamic effects of the wagon.

Portanto, 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. Assim, 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!

 

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

In order to collect data on the dynamic amplification factors during the passage of railway trains over the track, strain gauges were installed on the rail, as shown in Figure 3.

Figure 3: Instrumentation points.

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. Dessa forma, com esses dados, pode-se efetuar uma análise de elementos finitos e aplicar as cargas para verificação dos dormentes e lastro da região analisada.

Figure 4: Typical measured deformation profile of the 4 wheels of a wagon.

To define the static loads, a loaded train passed the instrumented site at a speed of 5 km/h. From this data, the load values on the rails of 20 wheels were collected to obtain the average static stresses in order to remove possible effects of load unbalance, wheel defects, among others.

Em seguida, 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.

Finalmente, 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.

Figure 5: Dynamic factor values obtained during the study.

 

4. Impacto da medição de cargas na manutenção de ferrovias

A coleta de dados permitiu verificar as reais cargas atuantes nos componentes da via permanente. Além disso, 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.

Figure 6: Dynamic amplification factors x speed according to international standards.

Vale destacar que, 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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