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METROCAMP – FACULDADE METROPOLITANA DE CAMPINAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL NEILA RAMOS RAMALHO DUTRA PROJETOS FERROVIÁRIOS E O EMPREGO DE TECNOLOGIAS COMPUTACIONAIS CAMPINAS 2016 NEILA RAMOS RAMALHO DUTRA PROJETOS FERROVIÁRIOS E O EMPREGO DE TECNOLOGIAS COMPUTACIONAIS Monografia apresentada ao curso de Engenharia Civil, da Metrocamp – Faculdade Metropolitana de Campinas, como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Profº. M.Sc Daniel Luís Nithack e Silva. CAMPINAS 2016 Dutra, Neila Ramos Ramalho. Projetos ferroviários e o emprego de tecnologias computacionais / Neila Ramos Ramalho Dutra. – 2016. 124f. Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) – Faculdade Metropolitana de Campinas, 2016. Orientador: Profº M.Sc. Daniel Luís Nithack e Silva. 1. Ferrovia 1. 2. Civil 3D 2. 3. Autodesk 3. I. Silva, Daniela Luís Nithack e. II. Projetos ferroviários e o emprego de tecnologias computacionais. xxx.xx AxxA NEILA RAMOS RAMALHO DUTRA PROJETOS FERROVIÁRIOS E O EMPREGO DE FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS Monografia apresentada ao curso de Engenharia Civil, da Metrocamp – Faculdade Metropolitana de Campinas, como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Profº. M.Sc Daniel Luís Nithack e Silva. Aprovado (a) em: ____/____/_____. __________________________________________________________________ Prof. M.Sc Daniel Luís Nithack e Silva Metrocamp – Faculdade Integrada Metropolitana de Campinas __________________________________________________________________ Prof.Dra. Monica S. R. Zuffo Metrocamp – Faculdade Integrada Metropolitana de Campinas __________________________________________________________________ Prof. Esp. Daniel Ricardo da Silva Metrocamp – Faculdade Integrada Metropolitana de Campinas Dedico este trabalho a quatro pessoas de grande importância em minha vida, meu saudoso pai, seu Antonio, que agora está juntinho de Deus, minha amada mãe, dona Neusa, que sempre dá o melhor de si para ajudar o próximo, meu amado esposo, Fernando, que sempre me apoia em tudo o que faço e minha amada irmã, Aldeneide, por ter dividido o quarto comigo por tantos anos. AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus, pois se estou aqui é porque assim Ele o quis. Em seguida à minha família que sempre me apoiou em tudo que faço e por ter me ensinado que nada nessa vida se consegue sem trabalho e dedicação e também a ter Fé e a certeza de que sem Deus não somos nada. Em especial agradeço meu saudoso pai, que há 14 anos voltou para os braços de Deus, por todas as noites que ele, cansado do trabalho pesado como metalúrgico, jamais deixou de ir me buscar na porta da minha primeira faculdade todas as noites, o que me incentivou a seguir adiante e me transformou na mulher forte e batalhadora que sou hoje. Minha mãe, dona Neusa, a quem também agradeço, mulher guerreira, também sempre muito presente na vida das filhas, mesmo com a saúde tão frágil. Meu amado esposo, Fernando, meu porto seguro, agradeço por todo apoio, por não reclamar tanto de minhas ausências em função dos meus estudos e do meu trabalho, por também me incentivar a seguir em frente e correr atrás dos meus sonhos, que tornaram- se nossos à partir do momento em que dissemos sim um ao outro. Agradeço à minha irmã, Aldeneide, por me aturar praticamente uma vida inteira dividindo o mesmo quarto, pelas brincadeiras de infância e, porque não, pelas brincadeiras de juventude e de agora. De coração repleto de alegria também agradeço a todos os professores que passaram pela minha vida, desde o pré primário até os de agora, da faculdade, por dedicarem o seu tempo a ensinar, pela generosidade em dividir com seus alunos todo o conhecimento que com muito suor adquiriram e ainda o adquirem em suas especializações, em seus mestrados e doutorados, sempre buscando aprimorar seus conhecimentos para dividir conosco. Em especial agradeço ao professor Daniel Luís Nithack e Silva, por dividir o seu conhecimento, pela atenção e esmero com que dedicou seu tempo às revisões e correções deste trabalho e, principalmente, por, mesmo com tantos contratempos, não ter desistido de ser meu orientador, às professoras Mariana Buratto Pereira e Raquel Letícia Rancura pela dedicação e o empenho em nos ensinar e mostrar o caminho correto a ser seguido para a produção de um bom trabalho de conclusão e ao nosso coordenador do curso de engenharia civil, professor Paulo Roberto dos Santos pelo belo trabalho que vem desenvolvendo dentro da Metrocamp. Que Deus abençoe a todos! “Não é o trabalho, mas o saber trabalhar, que é o segredo do êxito no trabalho. Saber trabalhar quer dizer: não fazer um esforço inútil, persistir no esforço até ao fim, e saber reconstruir uma orientação quando se verificou que ela era, ou se tornou, errada.” (FERNANDO PESSOA, 1935) RESUMO No presente trabalho foi demonstrado o funcionamento de uma ferramenta da informática quando empregada no desenvolvimento de projetos ferroviários, o software Civil 3D, criada pelo grupo Autodesk e que vem sendo bastante utilizada como ferramenta auxiliar na elaboração tanto de projetos ferroviários quanto rodoviários. A elaboração deste trabalho se deu através de pesquisas bibliográficas à partir de livros, artigos científicos e revistas voltados ao emprego de softwares na engenharia civil, mais especificadamente à área de ferrovias. Foram apresentados aqui conceitos básicos sobre projetos ferroviários e um breve estudo de caso tomando como objeto de estudo um projeto de um pátio ferroviário de grande porte da antiga ALL, atual RUMO – ALL, empresa de logística dominante no mercado de transporte de carga por ferrovias. Este estudo de caso foi fundamentado tanto nos conceitos básicos de concepção de projetos ferroviários quanto nos conceitos básicos do software Civil 3D, através do qual foram apresentadas as ferramentas, contidas neste último, que auxiliam de forma dinâmica, precisa e rápida no desenvolvimento de projetos ferroviários. A finalização deste trabalho se deu através da apresentação gráfica do estudo de caso demonstrando o resultado final do desenvolvimento do projeto do pátio ferroviário auxiliado pela ferramenta computacional Civil 3D. Palavras-chave: Ferrovia. Civil 3D. Autodesk. ABSTRACT In the present study we demonstrated the operation of a computer tool when used in the development of railway projects, Civil 3D software, created by the Autodesk group and that has been widely used as an auxiliary tool in the development of both rail projects and road. The preparation of this work was through literature searches from the books, papers and magazines aimed at the use of software in civil engineering, more specifically to the area of railroads. Here they were presented basic concepts of railway projects and a brief case study taking as object of study a project of a large railyard of the old ALL, current RUMO - ALL dominantlogistics company in the cargo transport market by rail. This case study was based both on the basic concepts of design of railway projects and the basic concepts of Civil 3D software, through which were displayed the tools contained in the latter, which help dynamically, accurate and fast development of rail projects . The completion of this work was done through the graphical presentation of the case study demonstrating the outcome of the railyard project development aided by Civil 3D software tool. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Seção transversal “tipo” de uma linha ferroviária com superestrutura e infraestrutura. ............................................................................................................... 22 Figura 2 - Seção transversal tipo de superestrutura. ................................................... 24 Figura 3 - Seção transversal tipo com divisão do lastro conforme DNIT (2016). ......... 29 Figura 4 - Seção transversal tipo com dimensões fundamentais. ............................... 32 Figura 5 - Socadora do tipo pesada, modelo AB50D. ................................................. 34 Figura 6 - Socadora vibratória vertical light, tipo leve. ................................................. 34 Figura 7 - Picareta de soca. ......................................................................................... 34 Figura 8 - Dimensões dos dormentes de madeira mais utilizados. ............................. 38 Figura 9 - Dormente de aço. ........................................................................................ 39 Figura 10 - Dormente de concreto bibloco................................................................... 41 Figura 11 - Dormente de concreto monobloco. ............................................................ 41 Figura 12 - Dormente de náilon e plástico. .................................................................. 43 Figura 13 - Composição do trilho (desenho esquemático). ......................................... 44 Figura 14 - Trilho perfil Vignole. ................................................................................... 45 Figura 15 - Trilho perfil tipo bilabiado. ......................................................................... 45 Figura 16 - Trilho perfil tipo Brunei. ............................................................................. 45 Figura 17 - Recomendação de pregação. ................................................................... 51 Figura 18 - Pregos tipo asa de barata (esquerda) e cabeça de cachorro (direita). ...... 52 Figura 19 - Tirefond ou tirefão. .................................................................................... 52 Figura 20 - Grampo elástico simples. .......................................................................... 53 Figura 21 - Grampo elástico duplo. ............................................................................. 53 Figura 22 - Grampo pandrol. ....................................................................................... 53 Figura 23 - Grampo Deenik. ........................................................................................ 53 Figura 24 - Fast - Clip. ................................................................................................. 53 Figura 25 - Talas de junção. ........................................................................................ 54 Figura 26 - Placas de apoio. ........................................................................................ 54 Figura 27 - Retensores. ............................................................................................... 54 Figura 28 - AMV: Aparelho de Mudança de Via. ......................................................... 57 Figura 29 - Detalhes do AMV: Aparelho de Mudança de Via. ..................................... 57 Figura 30 - ATV: Aparelho de Transposição de Via. ................................................... 58 Figura 31 - Bitola da linha ferroviária. .......................................................................... 61 Figura 32 - Bitolas métrica, padrão e larga da linha ferroviária. .................................. 62 Figura 33 - Bitola mista da linha ferroviária. ................................................................ 62 Figura 34 - Pontos e elementos da parábola para cálculo de emáx. ............................. 71 Figura 35 - Exemplo de Pátio de Desvio. .................................................................... 73 Figura 36 - Exemplo de pêra ferroviária. ..................................................................... 73 Figura 37 - Carga “P” sobre os trilhos e distância de apoio “c” no sentido longitudinal do dormente ................................................................................................................. 81 Figura 38 - Gabarito de instalações fixas, OAEs e túneis em tangentes com linha singela e bitola de 1,00m .......................................................................................................... 83 Figura 39 - Plataforma em tangente para linha singela, onde: b = comprimento do dormente; d = altura do dormente; h = espessura mínima de lastro e W = comprimento da banqueta. ................................................................................................................. 84 Figura 40 - Fluxograma do estudo hidrológico. ........................................................... 85 Figura 41 - Fluxograma de projeto de drenagem. ....................................................... 88 Figura 42 - Passagem ferroviária inferior na Ferrovia Norte-Sul. ................................ 91 Figura 43 - Objetos paramétricos do Civil 3D. ............................................................. 98 Figura 44 - Superfície topográfica. ............................................................................ 101 Figura 45 - Apresentação final do alinhamento. ........................................................ 103 Figura 46 - Perfil de topografia (terreno natural). ....................................................... 103 Figura 47 - Pátio Ferroviário Araraquara - Perfil com acréscimo de greide projetado.104 Figura 48 - Subassembly RailSingle. ......................................................................... 105 Figura 49 – Propriedades geométricas da Abassembly. ............................................ 105 Figura 50 – Seção tipo definida. ................................................................................ 106 Figura 51 – Pátio Ferroviário Araraquara - Seção tipo (Assembly) com 11 linhas ferroviárias paralelas. ................................................................................................. 106 Figura 52 – Pátio Ferroviário Araraquara - Seção tipo (Assembly) com 4 linhas ferroviárias paralelas. ................................................................................................. 107 Figura 53 – Pátio Ferroviário Araraquara - Corredores processados. ........................ 107 Figura 54 – Pátio Ferroviário Araraquara – Visualização 3D dos corredores. ............ 108 Figura 55 – Pátio Ferroviário Araraquara – Visualização 3D da superfície projetada (terraplenagem). ......................................................................................................... 109 Figura 56 – Pátio Ferroviário Araraquara – Sample Lines (Seções transversais). ..... 110 Figura 57 – Pátio Ferroviário Araraquara - Seção transversal.................................... 110 Figura 58 – Pátio FerroviárioAraraquara - Superfície de topografia (terreno natural) 111 Figura 59 – Pátio Ferroviário Araraquara - Alinhamentos .......................................... 112 Figura 60 – Pátio Ferroviário Araraquara - Corredores. ............................................. 113 Figura 61 – Pátio Ferroviário Araraquara – Superfície projetada (Terraplengem) ...... 114 Figura 62 – Pátio Ferroviário Araraquara – Planta com indicação seções transversais do projeto.................................................................................................................... 115 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Espessura do Sublastro conforme qualidade do material da plataforma ..... 27 Tabela 2 – Resultado do ensaio de peneiramento ....................................................... 31 Tabela 3 – Altura mínima do lastro sob o dormente. .................................................... 33 Tabela 4 – Larguras de soca e de faixa central sem soca............................................ 33 Tabela 5 – Dimensões dos dormentes de madeira. ..................................................... 37 Tabela 6 – Características das seções dos trilhos ABNT e AREMA. ........................... 48 Tabela 7 – Tabela de comprimento mínimo de curva de transição. ............................. 68 Tabela 8 – Faixas de rampas de projetos de ferrovias de acordo com o relevo do terreno. ..................................................................................................................................... 69 Tabela 9 – Rampas máximas admissíveis para rodovias e ferrovias. ......................... 70 Tabela 10 – Direções de atuação dos carregamentos dinâmicos ou repetidos............ 76 Tabela 11 – Espaçamento dos dormentes das ferrovias brasileiras. ........................... 80 Tabela 12 – Gabaritos das hidrovias do Plano Nacional das Vias Navegáveis Interiores (PNVNI). ....................................................................................................................... 90 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT ABPV AEC ALL AMV ANTT Associação Brasileira de Normas Técnicas Associação Brasileira de Pavimentação Arquitetura e Engenharia Civil América Latina Logística Aparelho de Mudança de Via Associação Nacional de Transportes Terrestres AREMA ARTC CAD Daer/RS DER DIF DNIT IPR ISF NBR OAC PIV PMG RFFSA SNFC TLS VALEC American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association Australian Rail Trach Corporation Computer Aided Design Departamento Autônomo de Estradas de Rodagem do Rio Grande do Sul Departamento de Estradas de Rodagem Diretoria de Infraestrutura Ferroviária Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes Instituto de Pesquisas Rodoviárias Instruções de Serviços Ferroviários Norma Brasileira Obra de Arte Corrente Ponto de Interseção Vertical Ponto de Mudança de Greide Rede Ferroviária Federal S.A. Société Nationale de Chemins de Fer Français Trilhos Longos Soldados Valec Engenharia, Construções e Ferrovias S.A. SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 17 2. OBJETIVO ................................................................................................................. 20 3. JUSTIFICATIVA ......................................................................................................... 21 4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................................... 22 4.1. Conceitos básicos sobre via férrea ................................................ 22 4.1.1. Superestrutura e seus componentes ........................................................... 23 4.1.2. Plataforma: ...................................................................................................... 24 4.1.3. Sublastro: ........................................................................................................ 25 4.1.4. Lastro .............................................................................................................. 28 4.1.5. Dormentes ....................................................................................................... 35 4.1.6. Trilhos ............................................................................................................. 43 4.1.7. Dispositivos de fixação e acessórios ........................................................... 50 4.1.8. Aparelhos especiais de via ............................................................................ 57 4.1.9. Bitolas ferroviárias ......................................................................................... 61 4.2. Conceituações básicas para projetos de leitos ferroviários ........ 63 4.2.1. Estudo topográfico ......................................................................................... 63 4.2.2. Estudo geológico e geotécnico ..................................................................... 63 4.2.3. Estudo de traçado e projeto geométrico ...................................................... 64 4.2.4. Projeto de terraplenagem .............................................................................. 73 4.2.5. Projeto de superestrutura .............................................................................. 76 4.2.6. Estudo hidrológico ......................................................................................... 84 4.2.7. Projeto de drenagem ...................................................................................... 85 4.2.8. Projeto de obras de arte especiais (OAEs) .................................................. 88 5. MÉTODO .................................................................................................................... 93 6. TECNOLOGIAS COMPUTACIONAIS EMPREGADAS NA PRODUÇÃO DE PROJETOS DE ENGENHARIA CIVIL .............................................................................. 94 7. ESTUDO DE CASO – APLICAÇÃO DO SOFTWARE CIVIL 3D PARA TRAÇADOS DE FERROVIAS ................................................................................................................ 98 7.1. Levantamento planialtimétrico – Modelagem da superfície de topografia ................................................................................................ 99 7.2. Projeto de traçado geométrico com perfil e seção tipo para geração de corredor ............................................................................. 102 7.3. Projeto de terraplenagem – Corredor, superfície projetada e seções transversais .............................................................................. 107 7.4. Exemplo Aplicado .......................................................................... 110 8. CONCLUSÃO .......................................................................................................... 116 9. REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 117 APÊNDICES ............................................................................................................ 124 17 1. INTRODUÇÃO O emprego do transporte sobre trilhos teve início no século XVI nas minas de carvão e de minério de ferro, da Alsácia e da Europa Central, e consistia em carroça movida a tração humana ou animal sobre dois trilhos de madeira (SANTOS,2011). Com o passar do tempo esse meio de transportefoi evoluindo: da carroça movida à tração humana ou animal passou para a locomotiva à vapor, em seguida pelo diesel chegando ao que temos de mais moderno em atividade hoje, a energia elétrica e os mais novos trens movidos à energia eletromagnética, mais conhecidos como MagLev ( do termo inglês Magnetic Levitation, tradução em português Levitação Magnética) ainda em fase de testes nas cidades de Xangai, na China, e Tóquio, no Japão; os trilhos que eram de madeira passaram a ser de aço, os dormentes de madeira hoje são encontrados no mercado confeccionados em outros tipos de materiais tais como: metal, concreto etc. No início esse tipo de transporte era utilizado apenas para transporte de cargas, poucos anos depois passou a ser utilizado também para transporte de passageiros, consequentemente os vagões tanto de carga quanto de passageiros evoluíram, os vagões de carga passaram a ser feitos de estruturas de aço ou containeres também de aço e os vagões de passageiros passaram da madeira também para o aço, dentre tantas outras evoluções. De acordo com Santos (2011), somente em meados do século XIX o sistema ferroviário de transporte de cargas e passageiros começou a ser implantado nos continentes da América do Norte e América do Sul, sendo o Brasil e a Argentina os primeiros países da América do Sul a dar início ao uso deste meio de transporte. Nos primórdios da ferrovia no Brasil, esse tipo de transporte era quase totalmente voltado para o transporte de passageiros, porém, com o passar do tempo foi perdendo força e o transporte de carga começou a ocupar maior espaço e ganhar mais atenção no Brasil. O Brasil tem muito ainda que crescer e desenvolver no que se diz respeito à sua malha ferroviária que atualmente está praticamente estagnada,pois a política nacional, desde meados da década de 1960, vem priorizando a expansão do modal rodoviário, basta observar os números de veículos fabricados desde então: em 1957 foram fabricados cerca de 30 mil automóveis, em 1960 esse valor subiu para 130 mil unidades em função do incentivo do Plano de Metas do governo de Juscelino Kubitschek e por fim, não há muito 18 tempo atrás, já em 2013, a frota de automóveis fabricados aumentou para vertiginosos 3,712 milhões de unidades. (Meyer, R., 2014). Enquanto isso os modais ferroviários estão abandonados pelo descaso das políticas públicas, a malha ferroviária que o país possui hoje, em comparação com sua extensão territorial, resulta numa densidade ferroviária inferior a da Argentina e da Bélgica dentre tantos outros países com extensão territorial menor que a do Brasil (Imago História, acessado em 25/10/2015). Conforme Ribeiro (2014), houve um início de retomada dos investimentos em sistemas de transporte sobre trilho na década de 1970, quando foram iniciadas as construções das linhas de metrô dos estados de São Paulo e do Rio de Janeiro e foi criada a Companhia Brasileira de Trens Urbanos (CBTU) destinada a cumprir a tarefa de transformar os ramais urbanos de trens de carga em sistemas de transporte urbano. Porém, mesmo com toda esta iniciativa, o sistema de transporte urbano sobre trilhos corresponde a menos de 10% da demanda de transporte público em todo o território brasileiro, onde pode-se observar volumes de demandas mais expressivos somente em São Paulo e no Rio de Janeiro. Atualmente o país possui uma malha ferroviária de cerca de 38.287 Km de extensão, sendo que aproximadamente 8.000 Km dessa malha são de linhas desativadas (CNT, 2013). Apesar da atual crise político-econômica em que o Brasil se encontra, territorialmente falando, o país tem grande potencial para crescer no ramo de ferrovias, independente do seu uso, para transporte de passageiros ou cargas. Pois o transporte sobre trilho, apesar de exigir altos investimentos iniciais, ainda assim é um dos meios de transporte terrestre mais econômicos, mais rápidos e menos poluentes. Porém, para desenvolver tais projetos, o mercado de trabalho brasileiro não possui tantos profissionais com conhecimentos na área da engenharia ferroviária, devido ao pouquíssimo investimento tanto do governo quanto de iniciativas privadas na construção de novas linhas ferroviárias ou até mesmo na restauração e reconstrução das já existente e que estão desativadas, acarretando também em escassez de material didático, bibliografias e afins voltados para essa área. Em áreas tão pouco exploradas no Brasil como a de projetos ferroviários existem poucas informações disponíveis no mercado para consulta, tanto na questão de livros e artigos técnicos quanto na questão de manuais e de tutoriais dos softwares que auxiliam na produção desses projetos. 19 Com relação aos softwartes disponíveis no mercado, a Autodesk, dominante no mercado de soluções computacionais na área da construção civil e afins, possui softwares potentes que auxiliam nos desenvolvimentos de vários tipos de projetos, desde projetos arquitetônicos a projetos como os de rodovias, ferrovias, instalações hidráulicas e elétricas, etc.. Dentre seus vários softwares existe um que vem se destacando em larga escala pela sua eficiência e versatilidade, o Civil 3D. Este software se destaca por trabalhar com conceitos de modelagem de objetos de forma interligada e correlacionada, possibilitando que vários profissionais trabalhem no mesmo projeto ao mesmo tempo sem interferir no andamento do mesmo, permitindo que as atualizações de todos os itens do projeto ocorram automaticamente para todos os profissionais envolvidos, evitando-se possíveis erros de atualizações caso estas fossem executadas manualmente. Neste trabalho foi apresentado, além do funcionamento do Civil 3D associado a projetos de ferrovias, algumas definições, pouco encontradas na bibliografia brasileira, do que é uma ferrovia, o que a compõe e como é projetada. Para demonstrar o desempenho do software Civil 3D foi adotado como exemplo prático um projeto de um pátio ferroviário de grande porte da antiga ALL1, atual RUMO-ALL após a fusão com a empresa de logística RUMO. Este pátio ferroviário foi apenas um estudo de viabilidade, solicitado pela ALL no ano de 2014, e era constituído por 26 linhas de desvio ferroviário e uma linha ferroviária que daria acesso ao girador, além dos eixos viários e os platôs onde seriam construídas as edificações de apoio e os estacionamentos que não serão tratados nestes trabalho. 1 ALL: América Latina Logística 20 2. OBJETIVO O objetivo principal deste trabalho foi o de apresentar o Civil 3D, uma importante ferramenta computacional criada pelo grupo Autodesk que auxilia no desenvolvimento de projetos variados do ramo da engenharia civil, focando o seu emprego no desenvolvimento de projetos ferroviários, tomando como objeto de estudo para apresentação deste software um projeto de um pátio ferroviário de grande porte da antiga ALL. Além de apresentar conceitos básicos importantes sobre engenharia ferroviária, tais como definições de seus componentes estruturais e projetos, assuntos raramente abordados em bibliografias brasileiras. 21 3. JUSTIFICATIVA Diante da escacez de material bibliográfico brasileiro voltado para projetos ferroviários e principalmente para ferramentas computacionais que auxiliem no desenvolvimento de tais projetos, surgiu a necessidade de se elaborar o presente trabalho. Com o intuito de demonstrar o funcionamento de uma ferramenta computacional na elaboração de projetos ferroviários, o software Civil 3D, criado pelo grupo Autodesk e que vem sendo bastante empregadono desenvolvimento de projetos tanto de ferrovias quanto de rodovias, loteamentos etc., foi feito um estudo prático utilizando-se do projeto de um pátio ferroviário de grande porte da antiga ALL. Inicialmente foram apresentados conceitos e definições básicas importantes das quais deve-se ter conhecimento para que sejam aplicados no desenvolvimento do projeto ferroviário, sendo estes fatores decisivos na escolha do traçado do leito ferroviário assim como nas soluções possíveis de ser empregadas na elaboração de tal projeto. 22 4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 4.1. Conceitos básicos sobre via férrea De acordo com Nabais (2014): "Um dos conceitos mais completos de estrada de ferro diz que ferrovia é um sistema de transporte terrestre, autoguiado, em que os veículos (motores e rebocados) se deslocam com rodas metálicas sobre duas vigas contínuas longitudinais, também metálicas, denominadas trilhos." A seção transversal de uma ferrovia é basicamente composta de infraestrutura e superestrutura, conforme apresentado na Figura 1. A infraestrutura engloba as obras de terraplenagem, sistemas de drenagem, obras de arte corrente e especiais (pontes, viadutos, pontilhões etc.) e túneis, que formam o que se chama de plataforma. E é sobre a plataforma que deve ficar apoiada a superestrutura que, por sua vez, é o conjunto formado pelo sublastro, lastro, dormentes, trilhos, acessórios de fixação e aparelhos de mudança de via (NABAIS,2014). Segundo Paiva (2009), esse conjunto de infraestrutura e superestrutura forma a área da Via Permanente Ferroviária, enquanto que a Via Permanente propriamente dita é formada pela superestrutura. Figura 1 - Seção transversal “tipo” de uma linha ferroviária com superestrutura e infraestrutura. Fonte: Brina,1982 Conforme apresentado por Paiva (2009), a área da Via Permanente Ferroviária tem como objetivos principais: Manter a segurança da via para o tráfego de acordo com o tipo e a frequência; Reduzir e/ou evitar a necessidade de manutenção corretiva; 23 Proporcionar uma viagem confortável aos usuários dos veículos ferroviários; Permitir programação antecipada das manutenções preventivas; Permitir análises e estudos de ocorrências para identificação das causas; Conservação da via para que possa ser usada para o retorno da energia elétrica de tração e dos sistemas elétricos de controle de tráfego. Ainda de acordo com Paiva (2009), a Via Permanente tem como principais objetivos: Dar suporte seguro e capaz de permitir o tráfego dos veículos ferroviários na velocidade limite que, por sua vez, deve ser bem próxima da velocidade de projeto; Dissipar os esforços oriundos do tráfego; Impedir e/ou minimizar a ocorrência de ruídos e vibrações em torno da ferrovia; Permitir, através uma estrutura isolada eletricamente, a instalação de circuitos de controle de tráfego e a carga de retorno às subestações em qualquer condição climática; Possuir o menor custo possível e, se composta por componentes de boa qualidade e vida útil longa, permitir que peças possam ser reutilizadas após a desmontagem da via para substituição de algum elemento defeituoso ou danificado; Possuir pouca necessidade de manutenção e, quando necessária, não prejudicar o tráfego. Além da infraestrutura, superestrutura e bitolas2 também serão abordados, de forma um pouco mais abreviada, os conceitos básicos de locomotivas e vagões, pois, estes variam de acordo com o tipo de uso (transporte de cargas ou de passageiros) e a bitola da linha ferroviária (NABAIS, 2014). 4.1.1. Superestrutura e seus componentes Segundo Nabais (2014), a superestrutura, segmento da via permanente, é responsável por suportar e distribuir as solicitações das cargas recebidas dos veículos ferroviários na plataforma. 2 Bitolas: distâncias entre as faces internas dos trilhos de uma linha ferroviária. 24 De forma mais detalhada, conforme manual de treinamento da extinta Rede Ferroviária Federal S. A. (RFFSA,1988), superestrutura é a parte superior da via ferroviária, composta por trilhos, dormentes, lastro, sublastro, aparelhos de mudança de via e acessórios de fixação que permitem o rolamento suave e seguro dos veículos ferroviários (trens e outros materiais rodantes). A Figura 2 representa graficamente uma seção transversal tipo de superestrutura. Figura 2 - Seção transversal tipo de superestrutura. Fonte: KLINCEVICIUS, 2011. De acordo com Nabais (2014), a superestrutura pode ser classificada em dois tipos distintos: Superestrutura rígida: quando os dormentes são assentados sobre uma laje de concreto ou fixados diretamente sobre uma viga; Superestrutura elástica: quando os dormentes são assentados sobre uma camada de lastro que, em conjunto com os dormentes, suportará e distribuirá as cargas transmitidas pelos trilhos uniformemente sobre a plataforma. 4.1.2. Plataforma: Paiva (2009) destaca em seu trabalho a definição contida na norma NBR 7641 (TB 131)3 da ABNT4, onde afirma que a plataforma da linha é a superfície superior da infraestrutura, também podendo ser denominada como leito, subgreide, subleito ou camada de suporte, dependendo do organismo ferroviário responsável por sua implantação; em outras palavras 3 NBR 7641 (TB 131): Via Permanente Ferroviária: Terminologia. 4 Associação Brasileira de Normas Técnicas. 25 é a face superior da área terraplenada, precisamente onde será implantada a superestrutura férrea, conforme indicado na Figura 1 do item 5.1. do presente trabalho. Basicamente, a função da plataforma é constituir o leito da via férrea onde fica apoiada a superestrutura e receber e suportar as solicitações das cargas transmitidas pela superestrutura (PAIVA, 2009). De acordo com Paiva (2009), em aterros a plataforma é constituída por três camadas com espessura entre 0,30m e 0,50m; dependendo do tipo de solo, principalmente em casos em que o solo apresenta mais que 5% de suas partículas passando pela peneira nº 200, a plataforma deverá receber tratamento granulométrico para reduzir essa porcentagem ou até mesmo algum tratamento químico para anular a possibilidade de formação de lama. Outro fator que influencia diretamente nesse tipo de tratamento do solo da plataforma é o CBR (capacidade de suporte do solo) definido em projeto que, por sua vez, varia de acordo com o organismo ferroviário, como por exemplo a extinta FEPASA que exigia CBR ≥ 6% na umidade ótima e a Transnordestina que exige CBR ≥ 10% na umidade ótima. Em cortes, as exigências são praticamente as mesmas, salvo que se o solo não atender às exigências de projeto haverá a necessidade de troca de solo ou até mesmo o acréscimo de reforço de subleito à base de rachão ou material similar, de modo a aumentar a capacidade de suporte do mesmo (PAIVA, 2009). 4.1.3. Sublastro: O sublastro é uma camada intermediária entre a plataforma e o lastro ferroviário (PAIVA,2009). De acordo com a NBR 7641 (TB131) de 1980, define-se o sublastro como sendo a parte inferior do lastro que fica diretamente em contato com a plataforma que, apesar de ser constituído de material granular de custo menor, é capaz de oferecer condições adequadas para drenagem e suportar as solicitações transmitidas pelos demais componentes da superestrutura, complementando assim o lastro. Na Figura 2 do item 5.1.1. está indicado o sublastro da ferrovia. O sublastro é constituído por material granular, geralmente bem graduado, localizado entre o lastro e o subleito (plataforma). Essacamada age como filtro, prevenindo a penetração do solo do subleito no lastro. As principais funções do sublastro, segundo Nabais (2014), são: 26 Reduzir as cargas advindas do lastro, provenientes da carga rolante, para adequá- las à resistência do subleito (plataforma); Evitar o bombeamento de finos, fenômeno no qual a “lama”, resultante da mistura do solo fino com água, é bombeada, pela ação do tráfego, para a camada de lastro, alterando suas propriedades; Reduzir a espessura da camada de lastros, o que favorece a economia já que o material utilizado no sublastro é de menor custo; Equilibrar a rigidez da via permanente proporcionando uma relativa elasticidade ao apoio do lastro. De acordo com Nabais (2014), os matérias utilizados na execução do sublastro devem seguir as seguintes especificações: Índice de grupo IG = 0; Limite de liquidez LL ≤ 35; Índice de plasticidade IP ≤ 36; Pertencer ao Grupo A da classificação pela Tabela da Highway Research Board (HBR); Expansão máxima de 1%; Índice de suporte California CBR ≥ 30. A espessura da camada de sublastro deve ser no mínimo 20 cm, podendo ser maior dependendo da compatibilidade da taxa de trabalho da mesma em relação à sua capacidade de suporte (Nabais, 2014). De acordo com Paiva (2009) essa variação de espessura é influenciada pela qualidade da plataforma e pelas cargas solicitantes que atuam na via permanente. Na Tabela 1 podemos observar a variação de espessura do sublastro de acordo com a qualidade do material da plataforma. 27 Tabela 1 - Espessura do Sublastro conforme qualidade do material da plataforma TIPO DO SOLO5 CBR DA PLATAFORMA (%) ESPESSURA DO SUBLASTRO (m) GW, GP, GM, SW ≥ 40% Não requerido GC, SP, SM, SC Entre 20 e 4% Não requerido CL, ML De 8 a 20% 0,30 OL, MH ≤ 8% 0,40 Fonte: PAIVA, 2009. Em sua execução, o sublastro deve atingir o peso específico aparente de 100% do ensaio de Proctor Normal durante a compactação. Na ausência de material que atenda as especificações exigidas próximo a ferrovia, pode-se utilizar de outros materiais em substituição e/ou outras técnicas construtivas que atendam as exigências de qualidade e de suporte do projeto a ser executado, desde que não aumente demasiadamente o custo da obra. Segundo Nabais (2014), há duas opções de substituição de materiais possíveis de serem adotadas: Mistura de dois solos naturais ou um solo argiloso com areia ou agregado miúdo; Solo melhorado com cimento, conforme especificações do DNIT. Paiva (2009) também cita como alternativas as seguintes soluções: Solo estabilizado por cal ou estabilizadores químicos; Camadas de concreto asfáltico, geossintéticos como membranas, grelhas e/ou mantas geotêxteis. De acordo com Paiva (2009), as camadas de concreto asfáltico e de geossintéticos possuem um desempenho inferior ao das camadas de materiais granulares, portanto, deve- 5 G = Pedregulho W = Bem graduado S = Areia P = Mal graduado M = Silte H = Alta compressibilidade C = Argila L = Baixa compressibilidade O = Orgânico Pt = Turfa 28 se evitar o seu emprego sempre que possível. O ideal é que estas soluções sejam adotadas somente nas seguintes situações: Quando houver necessidade de impedir a penetração deste solo no interior do lastro, em função do tipo do solo; Quando for necessário reduzir a altura do lastro, quando esta for superior a 0,40m; Quando o tráfego na área for muito severo. Em situações de corte em rocha, por não apresentar uma superfície plana durante sua execução, existe a necessidade do emprego de uma camada de acomodação composta por areia com espessura de 0,30m, para que se possa executar sobre ela, posteriormente, a camada de sublastro (PAIVA, 2009). Com relação à declividade transversal da camada de sublastro a AREMA6 recomenda que esta seja em torno de 2,5 a 5%, podendo-se adotar a média de 3% (NABAIS, 2014), sendo esta última a mais aplicada nos projetos de ferrovias em geral. 4.1.4. Lastro De acordo com Nabais (2014), o lastro fica entre os dormentes e a superestrutura e tem as seguintes funções: Distribuir de forma homogênea, sobre a plataforma, os esforços resultantes das cargas dos veículos ferroviários; Atenuar as trepidações resultantes das passagens dos veículos ferroviários; Suprimir as irregularidades da plataforma, fornecendo uma superfície contínua e uniforme para os dormentes e trilhos; Impedir os deslocamentos dos dormentes nos sentidos longitudinal e transversal; Facilitar a drenagem da superfície. O lastro é uma camada de material granular onde se apoia a grade da ferrovia que, por sua vez, é constituída de trilhos e dormentes (PAIVA, 2009), conforme indicado na Figura 2 do item 5.1.1.. 6 American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association (tradução livre: Associação Americana de Engenharia Ferroviária e Manutenção de Vias). 29 De acordo com a NBR 7641 (TB 131) o lastro é definido da seguinte forma: “parte da superestrutura da via permanente que distribui uniformemente à plataforma os esforços da via férrea, transmitidos dos dormentes, impedindo o deslocamento dos mesmos, oferecendo suficiente elasticidade à via, reduzindo impactos e garantindo-lhes eficiente drenagem e aeração.” O DNIT7 (2016) divide o lastro em duas partes conforme indicado na Figura 3 e definidas a seguir: Lastro inferior: lastro compreendido entre a face inferior do dormente e a superfície da plataforma ou sublastro; Lastro superior: lastro que se encontra acima da face inferior do dormente, ou seja, o lastro que envolve o dormente em suas laterais; Figura 3 - Seção transversal tipo com divisão do lastro conforme DNIT (2016). Fonte: PRÓPRIA AUTORA, 2016. De acordo com o DNIT (2016), o ato de acréscimo de lastro sob o dormente com o intuito de recuperar o lastro danificado sob uma grade ferroviária existente ou de instalar um novo lastro sob uma nova grade ferroviária denomina-se levante de lastro ou alçamento de lastro. Para Nabais (2014), o material empregado na execução do lastro deve possuir as seguintes características: 7 Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transportes. 30 Resistência aos esforços transmitidos; Elasticidade limitada para reduzir os choques; Dimensões adequadas à interposição entre os dormentes e o sublastro; Resistência às intempéries; Deve ser um material não absorvente, não poroso e possuir grãos impermeáveis; Não deve produzir pó. O tipo de material mais adequado à execução do lastro é a pedra britada que, por sua vez, pode ser proveniente de rochas do tipo granito, gnaisse, quartzito, micaxisto, deorito e diabásio. Na falta da pedra britada, pode-se adotar o emprego de terra, areia, cascalho e escória, desde que sejam feitas análises e estudos mais detalhados (NABAIS, 2014). Conforme Nabais (2014), as especificações adotadas pela ABNT, no Brasil, são basicamente fundadas nas especificações da AREMA, e são apresentadas a seguir: Peso específico mínimo = 2,7 tf/m³ (26,5 KN/m³); Resistência à ruptura = 700 kgf/cm² (6,87 KN/cm² ou 70 MPa); Deve ser um material insolúvel; O aumento de peso por absorção deve ser menor que 8 gf/dm³; A pedra britada deve possuir granulometria entre 2 1/2” (63,50 mm) e 1/2” (12,70 mm); A presença de substâncias novicas e torrõesde argila deve ser inferior a 1% do peso do material. Para se ter um controle de qualidade adequado desse material são necessários fazer ensaios, tais como o ensaio MB 8/NBR 7218 (ABNT, 2010b) de determinação do teor de argila em torrões e materiais friáveis e o ensaio NBR NM 26 (ABNT 2009c) de amostragem através do qual se define a granulometria da amostra de agregados através de peneiramento (NABAIS, 2014). O ensaio de peneiramento deve chegar aos valores apresentados na Tabela 2 para que o material seja liberado para o uso na execução do lastro. 31 Tabela 2 – Resultado do ensaio de peneiramento ABERTURA # (pol.) ABERTURA # (mm) % PASSANDO 2 1/2 63,5 100 2 50,8 80 - 100 11/2 39,1 40 - 70 1 25,4 10 - 30 3/4 19,1 0 - 10 1/2 12,7 0 - 5 Fonte: NABAIS, 2014. Além dos ensaios citados acima há outro ensaio também muito importante para a avaliação adequada do material, o ensaio de resistência à abrasão Los Angeles, cujo resultado dará o coeficiente de Los Angeles (CLA) que não deve ser superior a 35% (NABAIS, 2014). Segundo Paiva (2009), há ainda mais algumas normas brasileiras de grande importância aplicáveis na execução do lastro, que seguem: NBR 11460 – EB 813 – Execução de serviços de implantação. Resolução e/ou melhoramento de lastro da via férrea; NBR 11460 – NB 564 – (05/1988) – Projeto para renovação e/ou melhoramento para lastro de via férrea; NBR 7914 – NB 475 – (01/1990) – Projeto de lastro para via férrea; NBR 11541 – NB 497 – (04/1991) – Amostragem de material para lastro para via férrea. As propriedades mecânicas do lastro derivam das propriedades físicas do material empregado em sua execução e também do estado do mesmo na via, sendo este último definido pela densidade in situ e propriedades como lamelaridade, dureza, tamanho etc (PAIVA, 2009). De acordo com Paiva (2009), a densidade do lastro é analisada em três situações: Densidade in situ: resultante de processo de compactação durante o processo de execução; 32 Densidade inicial: resultante da operação de socaria; Densidade final: resultante do tráfego de circulação dos veículos ferroviários e demais esforços que se manifestam na via. Com o decorrer do tempo o lastro perde e/ou reduz algumas de suas propriedades como, por exemplo, a sua capacidade de drenabilidade que pode ser reduzida ou completamente eliminada em função das ações e reações resultantes da exposição a intempéries, degradação de suas partículas pelos processos de construção e manutenção e também pala exposição ao tráfego dos veículos ferroviários (PAIVA, 2009). De acordo com Paiva (2009), as dimensões fundamentais, representadas na Figura 4, para a camada de lastro são: Figura 4 - Seção transversal tipo com dimensões fundamentais. Fonte: PRÓPRIA AUTORA, 2016. Espessura do lastro sob o dormente: calculada em função da capacidade de suporte da plataforma, do trem tipo, da bitola da linha ferroviária e do espaçamento entre os dormentes, podendo variar entre 25 e 40 cm, de acordo com a norma NB 475 da ABNT. Na Tabela 3 temos as alturas mínimas de acordo com a classe da ferrovia; 33 Tabela 3 – Altura mínima do lastro sob o dormente. CLASSE DE LINHA FÉRREA ALTURA MÍNIMA DO LASTRO SOB O DORMENTE (cm) I 40 II 30 III 25 Fonte: PAIVA, 2009. Ombreiras ou banquetas: com a função de resistir aos eforços resultantes do tráfego dos veículos ferroviários sobre a grade ferroviária, sua largura varia entre 15 e 30 cm; Largura da soca do lastro: soca do lastro é a faixa de lastro que fica abaixo dos trilhos e longitudinal ao eixo da via e sua largura varia de acordo com a bitola da via, na Tabela 4 encontram-se tais variações; Largura da faixa central sem soca: esta faixa localiza-se entre as faixas da soca de lastro e também variam de acordo com a bitola, suas variações apresentam-se também na Tabela 4. Tabela 4 – Larguras de soca e de faixa central sem soca. BITOLA LARGURA DE SOCA – SK (mm) LARGURA DE FAIXA CENTRAL SEM SOCA (mm) Larga (1,60m) 900 a 1000 400 Normal (1,435m) 800 a 1000 400 Métrica (1,00m) 750 a 950 300 Fonte: PAIVA, 2009. A socaria do lastro pode ser feita de duas formas (PAIVA, 2009): Mecanizada: utilizando de equipamentos denominados socadoras dos tipos pesado, representada na Figura 5; 34 Figura 5 - Socadora do tipo pesada, modelo AB50D. Fonte: MATISA, Catálogo 2016. Manual: utilizando de equipamentos portáteis tais como socadora tipo vibratória (Figura 6) ou Picareta de soca (Figura 7). Figura 6 - Socadora vibratória vertical light, tipo leve. Fonte: ROBEL, Catálogo 2016. Figura 7 - Picareta de soca. Fonte: ROBEL, Catálogo 2016. 35 4.1.5. Dormentes A função básica dos dormentes é receber os esforços resultantes das cargas dos veículos ferroviários e transmitir ao lastro (NABAIS,2014). Além desta função, de acordo com Paiva (2009), os dormentes também tem as funções de: Suportar os trilhos; Garantir uniformidade das bitolas das linhas ferroviárias em toda extensão da via; Em caso de dormentes de madeira, estes devem atuar como apoio elástico entre os trilhos e o lastro; Aumentar a área de distribuição de tensões provindas dos trilhos; E por fim, dar estabilidade à via permanente. Porém, Nabais (2014) e Paiva (2009) também afirmam que, em suas respectivas bibliografias, para que o dormente cumpra de forma adequada tais funções, os mesmos devem atender algumas exigências, tais como: Deve fornecer superfície de apoio suficiente para que sua taxa de trabalho no lastro não supere os limites relativos ao material do mesmo; Deve possuir espessura suficiente para fornecer rigidez necessária à superestrutura, porém mantendo ainda uma pequena elasticidade; Deve ser resistentes aos esforços solicitantes; Deve apresentar um tempo de vida útil longo, de modo a não exigir tantas manutenções; Deve facilitar o uso de equipamentos de socaria durante o nivelamento do lastro facilitando também a manutenção deste último; Deve apresentar viabilidade econômica no custo inicial e em sua manutenção, de acordo com o material adotado e a região onde será instalado; O material do dormente deve ser adequado a cada tipo de lastro e ao circuito de via, caso exista; Deve oferecer boa fixação aos trilhos. Os dormentes mais utilizados na construção de superestruturas são os dormentes de madeira, de aço e os de concreto. Porém, já existem estudos e empregos de opções mais alternativas como os dormentes de naílon e plástico e os de plástico reciclado, sendo este 36 último já aplicado, à título de experimento, em algumas ferrovias brasileiras como no caso dos dormentes de plástico reciclado do Metrô da cidade de São Paulo (PAIVA, 2009). Cada tipo de dormente possui suas características e normas pertinentes ao tipo de material que os compõem. A seguir temos um rápido descritivo desses dormentes de acordo com seus materiais de composição. 4.1.5.1. Dormentes de madeira A madeira é um dos principais materiais utilizados na fabricação de dormentes porém, devido a escassez de florestas naturais e de reflorestamentos de árvores que forneçam madeiras nobres de boa qualidade destinados a este fim, o preço de dormentes de madeira nobre, no mercado, vem onerando o custo da obra ferroviária. Deste modo, passou-se há algum tempo a empregar madeira de menores qualidade e nobreza com o intuito de se reduzir o preço dos dormentes, porém o emprego destas madeiras exige que o dormentepasse por um tratamento químico com conservantes e tenha uma maior frequência de manutenções, ou seja, mesmo utilizando madeiras de menor qualidade o preço do dormente de madeira ainda continua alto (NABAIS, 2014), principalmente devido a maior frequência de manutenções. O uso de dormentes de madeira é mais indicado quando a via férrea não possui um controle muito rigoroso do processo de degradação e haja apenas o processo de manutenção preventiva (PAIVA, 2009). Segundo Paiva (2009), as madeiras mais utilizadas na produção de dormentes de madeira são: Madeiras de lei, raramente empregadas: aroeira, sucupira, jacarandá, amoreira, ipê e pereira; Madeira mais empregada atualmente com tratamento químico: eucalipto. De acordo com Nabais (2014), a qualidade da madeira utilizada na confecção do dormente é de grande importância e sua vida útil é diretamente relacionada à sua resistência ao apodrecimento e ao desgaste mecânico, porém existem ainda fatores externos que influenciam de forma decisiva na questão da durabilidade do dormente, tais como: Intempéries (clima); Sistema de drenagem pluvial da via; O peso/carga dos veículos ferroviários e a velocidade com que passam na linha férrea; 37 Estação do ano em que a madeira utilizada para a confecção dos dormentes foi cortada; O grau de secagem da madeira; Os tipos dos acessórios de fixação dos trilhos (placas de apoio, parafusos etc); O tipo do lastro que receberá os dormentes. As normas técnicas brasileiras aplicadas aos dormentes de madeira são: NBR 7511:2013 - Dormentes de madeira - Requisitos e métodos de ensaio (especificação dos requisitos e métodos de ensaio para dormentes de madeira destinados à via férrea); TB 138/NBR 6966:1994 – Dormente (definição dos termos empregados em dormente de via férrea); IVR 11 – Nomenclatura de via permanente (Rede Ferroviária Federal AS - RFFSA, 1978) IVR 12 – Emprego de dormentes roliços (RFFSA, 1978) EVR 8 – Substituição de dormentes (RFFSA, 1978) NV3 250 – Especificações técnicas para fornecimento de dormente de madeira (RFFSA, 1978) NBR 7190:1997 - Projeto de estruturas de madeira (definição das condições gerais que devem ser seguidas no projeto, na execução e no controle das estruturas correntes de madeira, tais como pontes, pontilhões, coberturas, pisos e cimbres). A Tabela 5 apresenta as dimensões dos dormentes de madeira segundo as bitolas da via férrea e a Figura 8 apresenta as dimensões dos dormentes de madeira mais utilizados. Tabela 5 – Dimensões dos dormentes de madeira. BITOLA DIMENSÕES DO DORMENTE (mm) COMPRIMENTO LARGURA ALTURA Larga (1,60m) 2800 240 170 Normal (1,435m) 2600 240 160 Métrica (1,00m) 2000 220 160 Fonte: PAIVA, 2009. 38 Figura 8 - Dimensões dos dormentes de madeira mais utilizados. Fonte: PREMA, Catálogo 2016. De acordo com Paiva (2009), o emprego dos dormentes possuem suas vantagens e desvantagem que, de acordo com os critérios fixados pelo projeto, devem ser analisados para que o seu emprego na via férrea seja o mais adequado e o menos oneroso possível, levando-se em consideração o tipo de via e a região onde será empregado, pois, dependendo do local, pode haver difícil acesso a esse tipo de material. Pode-se citar como vantagens em sua aplicação: Baixo custo inicial em relação aos outros tipos de dormentes; Facilidade em seu manuseio; Boa adequação em todos os tipos de lastro; Possível de ser empregado em qualquer tipo de vias e bitolas; Não apresenta restrições aos variados tipos de circuitos de vias; Muito indicado ao emprego em vias que não exijam manutenções muito criteriosas. Como desvantagens em sua aplicação pode-se citar: Tempo de vida útil consideravelmente curto em relação aos outros tipos de materiais; Proporciona menor estabilidade lateral e longitudinal em relação aos outros tipos de dormentes; Possui alto custo de manutenção em relação aos demais materiais; É um material sensível ao ataque de fungos e insetos, além de ser passível de quebras; 39 E por fim causa impacto ambiental, caso a madeira não seja provinda de áreas de florestas com replantio planejado. 4.1.5.2. Dormentes de aço Segundo Nabais (2014), dois dos grandes motivos para o emprego dos dormentes de aço em vias férreas são os parâmetros econômicos e os ambientais. Os dormentes de aço são confeccionados com chapa de aço laminado em “U” invertido curvada em suas extremidades formando garras que, ao serem introduzidas no lastro, geram uma certa resistência aos deslocamentos transversais da via férrea, a Figura 9 apresenta a vista de cima e os cortes longituninal e transversal desse tipo de dormente. Figura 9 - Dormente de aço. Fonte: PREMA, Catálogo 2016. Em função do material e de suas dimensões mais enxutas em relação aos demais tipos de dormentes, este é um dormente relativamente leve, pesando cerca de 70 Kg, de fácil manuseio e assentamento, porém, devido a isso, não é indicado para o emprego em ferrovias que possuam tráfego pesado, pois deformam com maior facilidade em relação aos demais tipos; em termos de custo, comparando-se aos dormentes de madeira e os de concreto, atualmente, os domentes de aço possuem um custo para grandes quantidades bastante competitivo devido ao alto preço da madeira e do concreto (NABAIS, 2014). De acordo com Paiva (2009), as vantagens encontradas no emprego dos dormentes de aço são: Possuem vida útil longa, entre 25 a 50 anos; São leves, facilitando o manuseio; 40 Por serem peças únicas, apresentam longa durabilidade e alta resistência; Devido ao seu formato oferecem maior estabilidade longitudinalmente e lateralmente com relação à via; Enquanto que as desvantagens, conforme Paiva (2009), são: Se for empregado em pequenas quantidades, proporciona um custo bastante oneroso em relação aos demais tipos de dormentes; Sofrem corrosão ao decorrer do tempo devido a exposição às intempéries e produtos químicos que possam ser eliminados pelos veículos ferroviários; Não podem ser empregados em linhas férreas com tráfego pesado, como por exemplo pátios e áreas industriais; São propagadores de poluição sonora; Por serem condutores de eletricidade, dificultam o isolamento entre os trilhos, afetando negativamente os circuitos de sinalização das linhas férreas; Em função de sua forma tornam a manutenção do lastro mais dificultosa e, portanto, mais cara; Nabais (2014) ainda ressalta problemas tais como: Devido a maior rigidez e a difícil fixação do trilho neste tipo de dormente, os acessórios de fixação tendem a afrouxar com o tempo, exigindo constante manutenção; Os furos, vindos de fábrica, para fixação dos parafusos enfraquecem os dormentes possibilitando o surgimento de fissuras inutilizando o dormente; 4.1.5.3. Dormentes de concreto Os dormentes de concreto passaram a substituir os dormentes de madeira, em grande escala, em alguns países europeus como Inglaterra, França e Alemanha logo após a Segunda Guerra Mundial, junto com o surgimento do concreto protendido (NABAIS, 2014). De acordo com Nabais (2014), o desenvolvimento dos dormentes de concreto, sendo eles dos tipos monoblocos, biblocos e articulados, se divide em duas fases: Primeira fase: essa fase tem seu fim no ano de 1940, período sem grandes êxitos devido o emprego do concreto armado comum na produção desses dormentes ; 41 Segunda fase: esta fase teve seu início em 1940 e segue até os dias atuais, esse período foi marcado pelo advento do concreto protendido e das fixações elásticas,trazendo grande desenvolvimento aos dormentes monoblocos pré e pós tensionados. Dos três dormentes de concreto citados acima os mais empregados nos dias atuais são os dormentes dos tipos bibloco (Figura 10) e monobloco (Figura 11). Segundo Nabais (2014), o dormente do tipo monobloco (Figura 11) pode ser produzido de duas formas: Pós-tensionado, sem aderência das barras com o concreto; Pré-tensionado, com aderência das barras com o concreto. O dormente bibloco ou misto (Figura 10) é formado por dois blocos de concreto interligados por uma barra de aço (viga metálica) que, por sua vez, apresenta o tamanho quase igual ao tamanho total do dormente, fazendo o importante papel de armadura principal dos blocos de concreto. Além da viga metálica os blocos possuem em seu interior uma armadura que tem a função de fazer a ligação rígida do bloco com a viga. Devido à elasticidade da viga metálica, os blocos de concreto não absorvem os esforços do lastro no vão entre os mesmos de modo a permitir que estes resistam à grande parte dos esforços de flexão estática e flexão alternadas provindos do tráfego sobre os trilhos (NABAIS, 2014). Nabais (2014) ressalta que a viga metálica que interliga esses blocos, normalmente, é fabricada com perfis de cantoneira laminar ou com chapa dobrada e galvanizada a quente e as normas aplicadas ao aço utilizado na fabribação deste tipo de dormente são: Figura 10 - Dormente de concreto bibloco. Fonte: DNIT, ETM 003. Figura 11 - Dormente de concreto monobloco. Fonte: DORBRAS, Catálogo 2016. 42 ASTM8 A36, 1997 - Aço carbono com finalidade de utilização estrutural e em aplicações comuns; NBR 7007:2011 – Classe MR-250 - Aços carbono e micro-ligados para uso estrutural em geral, substituída por NBR 7007: 2016 em 14/09/2016. Com relação aos blocos de concreto, sejam eles monoblocos ou biblocos, para o dimensionamento dos mesmos deve-se aplicar a norma NBR 11709:2015 - Dormente de concreto - Projeto, materiais e componentes. Segundo Nabais (2014), os países de primeiro mundo têm adotado o emprego dos dormentes monoblocos de concreto protendido e biblocos de concreto armado em grande escala, primeiro porque a madeira nobre está ficando cada vez mais escassa e, em função disso, mais onerosa e, segundo, porque esses tipos de dormentes são mais resistentes e exigem baixa manutenção em relação aos demais. Conforme Paiva (2009), as principais vantagens proporcionadas pelos dormentes de concreto são: Podem ser empregados em vias de alta incidência de tráfego com pouca possibilidade de manutenção, como por exemplo linhas de metrô; Possui vida útil longa; Proporciona grande estabilidade à via, devido à sua resistência e elasticidade (no caso dos dormentes biblocos); As fixações dos trilhos são precisas e resistentes; Possibilita a existência de circuito de via9; Exige pouca manutenção; Possui alta resistência aos esforços resultantes do tráfego dos veículos ferroviários; Apesar das vantagens serem consideráveis, Paiva (2009) cita as seguintes desvantagens: Custo inicial oneroso ; Devido ao peso, é de difícil manuseio; 8 ASTM: American Society for Testing and Materials (tradução livre: Sociedade Americana de Testes e Materiais). 9 Circuito de via: circuito elétrico ou eletrônico utilizado para detectar a presença de trens na via ferroviária através de injeção e recepção de corrente elétrica no trilho. 43 Corre risco de quebrar durante o manuseio; Não tem flexibilidade com relação à bitola a que foi projetado. 4.1.5.4. Dormentes de náilon e plástico Segundo Nabais (2014), além dos tipos de dormentes citados anteriormente, pode-se encontrar outras opções, ainda em testes, de emprego de materiais mais alternativos. No Brasil estão sendo testados em algumas ferrovias os dormentes de náilon e plástico (Figura 12). Esse tipo de dormente apresenta as seguintes vantagens: Resistência mecânica semelhante à da madeira ; Não apodrece e não é vunerável ao ataque de fungos e insetos, eliminando a necessidade de tratamentos químicos e tornando-se mais durável que a madeira; Tempo de vida útil longo, em torno de 40 a 50 anos; Totalmente reciclável, diminuindo o impacto ambiental; Manutenção de torque dos tirefões é superior ao limite exigido pelos dormentes de madeira; Possui a menor taxa de emissão de CO2 em seu ciclo de vida do que os demais tipos de dormentes, atendendo plenamente aos padrões de exigências ambientais dos dias atuais; Atendem às exigências técnicas da ABNT com relação a sua resistência à flexão e seu módulo de elasticidade e sua resistência ao abraçamento das fixações. Figura 12 - Dormente de náilon e plástico. Fonte: BR RAILPARTS, Catálogo 2016. 4.1.6. Trilhos Segundo Paiva (2009) os trilhos compõem a superfície de rolamento sobre a qual os veículos ferroviários trafegam, composta por dois perfis metálicos paralelos entre si e 44 fixados sobre os dormentes, perpendicularmente a estes. Para Nabais (2014), os trilhos são os elementos da superestrutura da via permanente que têm a função de servir como apoio e guia às rodas dos veículos ferroviários, servindo também como viga contínua através da qual as solicitações das rodas dos veículos ferroviários são transferidas aos dormentes. De acordo com a VALE (2009), o trilho é o ativo mais importante da superestrutura, sendo considerado o principal elemento de suporte e guia dos veículos ferroviários, este componente, dentre os demais componentes estruturais da via permanente, possui o maior custo. Os primeiros trilhos utilizados no transporte de carga foram de madeira, no início do século XVI, com o passar do tempo e a evolução da sociedade e consequente aumento de demandas de transporte, tanto humano quanto de cargas, esses trilhos de madeira vieram sofrendo modificações tanto em seus materiais componentes quanto em seus formatos e comprimentos, chegando aos modelos de trilhos que temos atualmente produzidos em aço (SANTOS,2011). De acordo com Santos (2011), a seção transversal do trilho, conforme apresentada na Figura 13 , é composta por: Boleto: região onde apoiam-se as rodas do veículo ferroviário e compõe um percentual de 40 a 42% da seção transversal do trilho; Patim: base do trilho, mesa inferior ou pé, parte que fica apoiada e fixada no dormente e compõe um percentual de 38 a 40% da seção transversal do trilho; Alma: responsável pela união do boleto ao patim, é a parte vertical da seção e a mais estreita, compõe um percentual de 18 a 22% da seção transversal do tilho. Figura 13 - Composição do trilho (desenho esquemático). Fonte: COIMBRA, 2008. 45 Conforme Nabais (2014), atualmente temos dois tipos de perfis de trilhos mais empregados na implantação de linhas ferroviárias: Perfil tipo “T” duplo: mais conhecido como Perfil Vignole, respresentado na Figura 14; desenvolvido em 1836 pelo engenheiro Charles Vignole, este é o perfil mais utilizado em linhas ferroviárias, principalmente no Brasil; Perfil tipo bilabiado: também conhecido como perfil tipo fenda ou garganta por possuir uma aba lateral que forma uma espécie de calha por onde passa o friso da roda do veículo ferroviário, a Figura 15 representa este perfil que é utilizado em linhas ferroviárias destinadas ao transporte urbano como os bondes e o VLT. Além dos perfis citados acima, de acordo com Paiva (2009), temos também os perfis tipo Brunei (Figura 16), empregados em pontes rolantes. Figura 16 - Trilho perfil tipo Brunei.Fonte: PAIVA, 2009. De acordo com Coimbra (2008), as principais funções dos trilhos são: Resistir às tensões resultantes do tráfego do material rodante, transmitindo-as aos dormentes; Servir como guia às rodas dos veículos ferroviários; Figura 14 - Trilho perfil Vignole. Fonte:http://sucatas.com/portal /reciclagem/mat_didatico_view/ 82-Trilhos-Ferroviarios-0 Figura 15 - Trilho perfil tipo bilabiado. Fonte:http://sucatas.com/portal/recicla gem/mat_didatico_view/82-Trilhos- Ferroviarios-0 46 Retornar a corrente elétrica de tração à subestação, em caso de ferrovia eletrificada; Conduzir eletricidade ao circuito de via; Trabalhar como viga contínua sobre apoio elástico, resistindo à flexão. Como já mencionado anteriormente, o trilho é produzido em aço, cuja composição, de acordo com Santos (2011), é de ferro, que corresponde a cerca de 98% da composição total do aço, e os 2% restantes são compostos de carbono, que proporciona a dureza ao aço, o silício que aumenta a resistência à ruptura e o manganês que também proporciona um aumento de dureza do trilho, sendo este último um componente bastante oneroso e, por isso, somente empregado em trilhos de aço-liga e aprelhos de mudança de via (AMV10). Existem ainda os componentes indesejáveis, que são eles: o fósforo, que deixa o trilho quebradiço, e o enxofre, que provoca a segrefação do aço, retirando dele suas principais qualidades (NABAIS, 2014). De acordo com Nabais (2014), a maior parte dos trilhos fabricados atualmente são em aço- carbono e ressalta também que, além do cuidado que se deve ter com a composição do aço para se ter um trilho de boa qualidade, ainda pode-se melhorar essas qualidades através de tratamentos térmicos que consistem em resfriamento rápido do trilho, reaquecimento através do calor interno do mesmo e posterior resfriamento lento. Estes processos tanto podem ser executados no perfil total do trilho como apenas em seu boleto, que é a região que sofre os maiores impactos das ações das forças resultantes do movimento das rodas dos veículos ferroviários. Em seu processo de fabricação, o trilho é laminado a quente à partir de blocos (lingotes) de aço já devidamente tratados e livres de impurezas, e sua seção é obtida por passagens sucessivas do lingote, ainda em alta temperatura, através de cilindros de laminação por cerca de nove vezes, até que este lingote obtenha a seção tipo do trilho, sendo a mais comum a Vignole, e por fim devem chegar aos comprimentos típicos que variam de 12 m, 18 m ou 24 m ,dependendo do fabricante (NABAIS, 2014). Também utilizam-se trilhos com comprimentos de 216 m, mas estes são produzidos em estaleiros de solda implantados nos 10 AMV: Aparelho de Mudança de Via. 47 canteiros de obra ou no próprio local de aplicação, sendo esta última opção não indicada quando se deseja obter uma solda de qualidade superior, e os grandes comprimentos como este são obtidos através de soldas dos perfis menores vindos de fábrica (SANTOS, 2011). De acordo com Santos (2011), as vantagens desses trilhos de grandes comprimentos, apesar da dificuldade de transporte, são: Redução de gastos com conservação da via ; Possibilita movimentos suaves dos veículos ferroviários, proporcionando mais conforto aos usuários e/ou maquinista; Permite que o veículo ferroviário desenvolva maiores velocidades. Ainda conforme Santos (2011), os tipos de soldas mais usuais são: Solda elétrica de topo: um processo de solda que eleva a temperatura das pontas dos trilhos até que ocorra a fusão destes, tem como vantagem o fato de ser um procedimento totalmente automático; Solda oxiacetilênica ou caldeamento: dada pelo processo de aquecimento e compressão das pontas dos trilhos com chamas periféricas de oxiacetileno com posterior tratamento térmico e esmerilhamento dos trilhos, sempre executada em estaleiro específico a esse tipo de solda; Solda aluminotérmica: solda feita através da adição de óxido de ferro granular e pó de alumínio nas juntas dos trilhos e posterior aquecimento, este processo resulta num aço denominado termita, sendo este o processo de soldagem mais utilizado, principalmente por possibilitar o seu emprego no próprio local de aplicação. De acordo com Pinto (2012), existem três padronizações para trilhos, distintas entre si, que seguem: American Railway Engeneering and Maintenance-of-way (AREMA): norma de padronização de perfis norte-americana, amplamente adotada pelo Brasil; Union Internationael des Chemins de Fer (UIC): norma de padronização de perfis europeia, pouco empregada no Brasil, porém progredindo neste sentido com seus perfis de trilhos UIC 60; 48 Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT): que está elaborando normas voltadas para a ferrovia através da complementação tanto das normas e padronizações dos perfis norte-americanos quanto dos perfis europeus. A Tabela 6, segundo Nabais (2014), apresenta as principais características dos perfis da ABNT e da AREMA: Tabela 6 – Características das seções dos trilhos ABNT e AREMA. Fonte: NABAIS, 2014. A escolha do trilho a ser empregado na linha ferroviária não é algo aleatório, deve-se definir o perfil que melhor atenda às condições da via onde será empregado, tais como tipo de tráfego, resistência do trilho às solicitações que agirão sobre o mesmo resultantes do tipo de tráfego, a média de peso das cargas que trafegarão sobre o trilho, as intempéries a que estará exposto, o comportamento (agressivo ou não) do ambiente onde será implantado, etc. Em relação ao controle de qualidade desse material, de acordo com Nabais (2014), existem diversos meios de se fazer esse tipo de verificação, destrutivos ou não, que, dentre os mais usuais, seguem: Teste de tração: onde verifica-se a resistência, extensibilidade e ductibilidade do perfil, este ensaio consiste em tracionar a amostra a frio do boleto, para tensões de ruptura de 70 a 80 Kg/mm², em uma amostra de 200mm, deve-se apresentar um alongamento inferior a 10 ou 12%; Ensaio de Impacto ou choque: verifica-se a formação de trincas ocorrida durante o processo de fabricação, este ensaio consiste em soltar em queda livre, a uma deistância de 5,79 m de altura, o peso de 2000 lb (907,20 Kg) sobre o centro do vão de uma amostra de 1,22 a 1,38 m de comprimento apoiada sobre apoios com vão de distância entre 0,91 e 1,42 m; 49 Ensaio de Brinell: verifica-se a dureza do material, consiste em adentrar o material com uma esfera de aço endurecido ou metal duro com diâmetro de 10 mm com uma carga de 3000 Kgf; Ensaio de entalhe e fratura: através deste ensaio verifica-se a existência de trincas, esfoliações, cavidades, presença de matérias estranhas, estruturas brilhantes e granulação muito fina. Além destes ensaios físicos, pode-se citar, segundo Paiva (2009), os seguintes ensaios: Ensaios químicos: utilizados para definir a composição química do material do trilho e a proporção de seus elementos como, por exemplo, ensaio de % de C. Mn. S.P.S; Ensaios metalográficos: utilizado para buscar a existência de defeitos micrográficos e macrográficos; Ensaios de auscutação ultrasônica: utilizado para identificar defeitos no trilho pronto. Os defeitos que podem surgir nos trilhos, de acordo com Paiva (2009), podem ser classificados da seguinte forma: Defeitos congênitos ou de fabricação do trilho: são defeitos ocorridos devido a erros no processo de fabricação do trilho, tais como: Vazios; Segregação devido a impurezas não removidas ou a
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