1 La evolución de la infraestructura ferroviaria y el papel del balasto

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.

Los primeros ferrocarriles tenían las vías apoyadas sobre bloques rígidos y, en algunos casos, directamente sobre el suelo. Sin embargo, este modelo de construcción presentaba varios problemas en cuanto a la durabilidad de la vía. Para remediarlos, los ingenieros de la época se dieron cuenta de que hacían falta soportes más resistentes, capaces de absorber los impactos de la explotación.

Para mejorar la resistencia de los elementos de infraestructura de la vía permanente, se definió la necesidad de un conjunto de traviesas y balasto. Para que un material pueda utilizarse como balasto, debe tener características como:

• • Resistencia, rigidez adecuada y capacidad para distribuir las tensiones de funcionamiento;

• • Capacidad para soportar y proporcionar estabilidad a los esfuerzos laterales y longitudinales y para mantener la geometría de la calzada;

• • Capacidad para drenar el agua de lluvia.

La importancia de estos elementos en la infraestructura ferroviaria es, por tanto, evidente, y debe cuidarse tanto su correcto dimensionamiento como su mantenimiento durante la explotación.

El paso de vagones y coches de pasajeros genera tensiones longitudinales, laterales y verticales debido al contacto rueda-carril, transfiriendo así cargas a las traviesas y al balasto de la vía permanente. Estas cargas provocan el deterioro del balasto, generando elementos más finos y modificando el módulo de la vía. Conocer las cargas ayuda a definir los parámetros de mantenimiento.

 

2. Comprender los efectos de guiñada, cabeceo y balanceo en las cargas ferroviarias.

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: Ejes de rotación de guiñada, cabeceo y balanceo.
Fuente: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. Disponible en: https://www.mdpi.com/2076-3417/12/21/11297. Consultado el: 26 nov. 2024.

Figura 2: Reducción/aumento de la carga de las ruedas debido a los efectos dinámicos del vagón.

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. Succes story: Determinar el factor de amplificación dinámica de un ferrocarril

Para recoger datos sobre los factores dinámicos de amplificación durante el paso de los trenes por la vía, se instalaron galgas extensométricas en el carril, como muestra la figura 3.

Figura 3: Puntos de instrumentación.

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.

Figura 4: Perfil de deformación típico medido en las 4 ruedas de un vagón.

Para definir las cargas estáticas, un tren cargado pasó por el lugar instrumentado a una velocidad de 5 km/h. A partir de estos datos, se recogieron los valores de carga en los raíles de 20 ruedas para obtener las tensiones estáticas medias con el fin de eliminar posibles efectos de desequilibrio de la carga, defectos de las ruedas, entre otros.

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.

Figura 5: Valores del factor dinámico obtenidos durante el estudio.

 

4. Impacto de la medición de la carga en el mantenimiento ferroviario

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.

Figura 6: Factores de amplificación dinámica x velocidad según las normas internacionales.

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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