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Aula 03 Engº., MSc. Jean Carlo Trevizolo de Souza jeantrs@hotmail.com Disciplina: Optativa em Transportes FERROVIAS 2014/01 Elementos de Via Permanente Lastro, dormente e trilho AULA PASSADA Seção Transversal da Ferrovia Superestrutura Ferroviária Bitola Características do Material Rodante Iteração Veículo-Via AULA DE HOJE Elementos de Via Permanente Lastro Dormentes Trilhos ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS LASTRO SUPERESTRUTURA É a camada de material granular de diversas origens na qual se apoiam e se encaixam os dormentes da via férrea. O lastro constitui o elemento da superestrutura ferroviária situado entre os dormentes e o sublastro. Funciona diretamente como suporte elástico da via. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS LASTRO Funções SUPERESTRUTURA Estrutural Ancoragem da via Drenagem da via Facilitar a Manutenção Transmissão de esforços às camadas inferiores: Distribuir convenientemente sobre a plataforma os esforços resultantes das cargas dos veículos, produzindo uma taxa de trabalho menor; Formar um suporte limitadamente elástico, atenuando as trepidações resultantes da passagem dos veículos; Suprimir as irregularidades da plataforma, formando uma superfície contínua e uniforme para os dormentes e trilhos. Impedir os deslocamentos dos dormentes, nos sentidos longitudinal e transversal. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS LASTRO Qualidades SUPERESTRUTURA Resistência aos esforços transmitidos pelos dormentes. Elasticidade limitada, para abrandar choques. Resistência aos agentes atmosféricos. Permeável, para permitir boa drenagem. Não produzir pó – maléfico para veículo e passageiros. Qualidades necessárias: ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS LASTRO Materiais SUPERESTRUTURA Material mais barato e de pior de qualidade. Em condições normais, mais susceptível a saturação, provocando desnivelamento (por laqueamento) da linha e causando acidentes aos trens. As linhas laqueadas constituem a causa mais freqüente de descarrilamentos nas estradas de ferro. Terra Pouco compressível e bastante permeável, porém facilmente levada pelas águas pluviais. Além disso, ó pó produzido pode desgastar o material rodante. Areia Apesar de já terem sido muito utilizadas, devido sua dureza e resistência, tem sido evitado, pois com o tempo os grãos tendem a se aglutinar, formando um material contínuo, semelhante às rochas, dificultando a manutenção. Escória ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS LASTRO Materiais SUPERESTRUTURA Quando quebrado, formando arestas vivas, constitui um ótimo tipo de lastro. Pode ser utilizado diretamente das cascalheiras, entretanto, para as linhas de maior tráfego, recomenda-se lavagem do material, possibilitando a separação de terras e impurezas da matriz. Cascalho Pedra Britada Constitui o melhor tipo de lastro, por ser resistente, permeável e inalterável aos agentes atmosféricos, permitindo o perfeito nivelamento (socaria) da linha. Além disso, apresenta como vantagens sua limitada elasticidade e a baixa produção de poeira. Normalmente são utilizadas pedras britadas de rochas duras, sendo mais comuns micaxistos, quartzitos, dioritos, basaltos, granitos e gnaisses. Podem ainda ser utilizados arenitos, calcários, mármores e dolomitas, entretanto, em função de suas propriedades, torna-se imprescindível a avaliação dos seus respectivos índices de abrasão e resistência. LASTRO Materiais ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA Deve ser obtido através da britagem de rochas duras, compactas, de estrutura não lamelar ou não xistosa, de elevada resistência à compressão e elevada massa específica aparente. Resistência – Os materiais devem ser capazes de resistir ao atrito entre partículas quando submetidos à ação das altas cargas do material rodante. Nesse sentido, um material quebradiço, que se despedaça com facilidade, deve ser evitado; Durabilidade – A durabilidade é um conceito intimamente ligado à abrasão ou desgaste das partículas. Nesse sentido, cabem aqui todas as recomendações relacionadas ao índice de abrasão Los Angeles; Estabilidade – Uma das principais funções do lastro consiste na ancoragem transversal e longitudinal dos dormentes e trilhos, advindo daí o conceito de estabilidade. Os cascalhos, por exemplo, em virtude da forma lamelar e da superfície pouca rugosa de suas partículas, exigem cuidados significativos no início de sua utilização, pois sua acomodação é lenta e exige constante trabalho de nivelamento; Drenabilidade – O lastro deve se constituir em uma estrutura drenante, devendo os vazios entre as partículas ser suficientemente amplos para minimizar a ação de capilaridade proveniente da parte inferior do lastro; . LASTRO Materiais ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA LASTRO Materiais ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA Limpeza – A funcionalidade do lastro encontra-se diretamente associada a sua limpeza, devendo o mesmo estar livre de finos, sujeiras e vegetação. Um bom lastro deve permitir a limpeza com relativa facilidade, manualmente ou por meio mecânico; Disponibilidade – O lastro é usado em grandes quantidades, devendo ser sempre cogitada a utilização de materiais que possam ser facilmente encontrados ao longo da estrada; Custo – O preço de aquisição não deve ser o único item a ser analisado para escolha do material para lastro. Um lastro de alto custo inicial pode apresentar custo global satisfatório em função de sua maior vida útil, melhores características técnicas e reduzida manutenção. Somente o conhecimento das condições locais permite a decisão mais acertada na escolha do lastro LASTRO Materiais Cascalho: Pedra britada: ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA Pedra Britada: estocagem e aplicação: LASTRO Materiais ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA LASTRO Materiais ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA Lastro: A forma poliédrica ou cúbica é a ideal para utilização; A forma lamelar é inadequada e pode prejudicar a via. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS LASTRO SUPERESTRUTURA ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS LASTRO Dimensionamento SUPERESTRUTURA A resistência transversal é conseguida tanto com o lastro nivelado, quanto estendido além de suas extremidades. Essa extensão além das extremidades dos dormentes, chamada ombro ou ombreira, pode variar entre 5 e 30 centímetros. A aplicação de valores acima de 40 centímetros no ombro é considerada desnecessária, constituindo-se em desperdício de material. Com relação aos valores utilizados para inclinação do talude de lastro, ocorrem algumas divergências quanto a sua aplicação. Os americanos utilizam taludes mais achatados do que o ângulo de repouso, inclinações da ordem de 2:1 e 21/2:1 (H:V), em função das vibrações gerados pelo tráfego. Já os pesquisadores europeus recomendam inclinações mais próximas do ângulo de repouso (1,5:1), destacando que um lastro executado com ombro de 40 cm e talude de 1,5:1 se transformará, após ação do tráfego, em um com 30 cm de ombro e talude 2:1. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA LASTRO Dimensionamento ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA LASTRO Dimensionamento ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA LASTRO Dimensionamento Exemplo Prático: Dados Básicos: • Peso por eixo da locomotiva = 25 toneladas; • Bitola métrica; • Dimensões do dormente = 2,00 x 0,22 x 0,16 metros; • Faixa de socaria (c) = 70 a 80 centímetros; • Velocidade de projeto = 80 km/h; • Distância entre eixos da locomotiva (d) = 2,20 metros • Número de dormentes por km = 1.750; • CBR do sublastro = 35%; CALCULAR A ALTURA DO LASTRO E SEU VOLUME. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIASSUPERESTRUTURA LASTRO Dimensionamento ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA LASTRO Dimensionamento ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA LASTRO Dimensionamento Dimensionar o lastro ferroviário da EFC, considerando: • Peso por eixo da locomotiva = 40 toneladas; • Bitola larga; • Dimensões do dormente = 2,80 x 0,22 x 0,16 metros; • Faixa de socaria (c) = 80 cm; • Velocidade de projeto = 80 km/h; • Distância entre eixos da locomotiva (d) = 2,10 metros • Número de dormentes por km = 1.667; • CBR do sublastro = 35%; ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA LASTRO Dimensionamento ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES São travessas / vigas de conformação prismática nas quais são fixados os trilhos e colocados entre o lastro, transversalmente à direção desses, e espaçados regularmente uma das outras. Distribuem ao lastro as forças recebidas dos trilhos, provenientes das cargas da composição ferroviária, servindo de suporte dos trilhos, permitindo sua fixação e mantendo invariável a bitola. v Manter o alinhamento longitudinal e transversal da via (assegurar alinhamento e nivelamento da via férrea); v ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Funções Garantir a fixação e manter o suporte adequado e seguro aos trilhos; Manter constantemente a bitola; Amortecer a absorver os choques/vibrações da passagem das composições; Distribuir e transmitir ao lastro os esforços recebidos dos trilhos; Prover a suficiente estabilidade da via no sentido transversal, vertical e longitudinal; Deve ser de fácil manuseio (assentamento e substituição) e ter longa vida útil. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Tipos Dormentes de Madeira; Dormentes de Concreto; Dormentes de Aço; Dormentes de Plástico; Dormentes de Fibrocimento; Dormentes de Mistos; Dormentes de Pneu Reciclado. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Madeira Construção do Pátio de Tutoia – Araraquara/SP (Foto: Jean) ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Madeira Espécies Utilizadas 1a Classe (madeira de lei) - Sucupira, aroeira, jacarandá, amoreira, pereira, angico, ipê; 2a Classe (madeira mole) - Angelim, araribá, braúna, jatobá, carvalho do brasil, canela preta, peroba, maçaranduba, pau brasil, eucalipto, pinho. O melhor dormente de madeira é o de sucupira por possibilitar ótima fixação do trilho, possuir dureza e peso específico elevados e grande resistência ao apodrecimento, podendo durar mais de 30 anos na linha. A resistência das madeiras cresce com a densidade. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Madeira DESVANTAGENS Susceptibilidade à ação das intempéries, de fungos e de insetos (menor vida útil); Exigência de ciclos de manutenção mais curtos (afrouxamento); Reduzido valor residual; Maior consumo na via; Escassez de madeira de lei. VANTAGENS Menor custo de aquisição; Boa resistência; Fácil manuseio (peso moderado); Amortecimento (absorção das vibrações, impactos e ruídos gerados pelo tráfego); Facilidade de substituição (redução no tempo gasto para restabelecimento da circulação); Sinalização (dispensa de isoladores na interface trilho/dormente) ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Dimensões O comprimento dos dormentes independe do peso por eixo das composições ferroviárias, dependem do material do dormente e da bitola. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Dimensões Dormente muito cumprido, estreita a bitola. Dormente muito curto, alarga a bitola. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Especificações Fatores Condicionantes Qualidade da madeira; Clima / umidade / temperatura; Drenagem da via; Peso e velocidade da composição ferroviária; Época do corte; Grau de secagem; Tipo de fixação do trilho; Tipo de lastro; Tipo da placa de apoio. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Durabilidade No Brasil: Madeira de Lei - 15 a 20 anos, dependendo do preservativo; Madeiras comuns - 5 a 6 anos, se tratados; Não tratados - 2 a 8 anos. No Mundo: Tratados com pentaclorofenol - 15 a 25 anos; Tratados com sais hidrossolúveis - 10 a 15 anos; Não tratados - 3 a 12 anos. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Vida Útil O tratamento de dormentes não aumenta a sua resistência, porém aumenta sua capacidade de resistir ao apodrecimento, aumentando sua vida útil. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Tratamento Medidas preventivas e corretivas que garantem a integridade dos dormentes, visando o prolongamento de sua vida útil, desde a fase de seleção das essências e extração da madeira até a sua substituição na via. O tratamento das madeiras aumenta sua resistência ao apodrecimento mas não altera suas qualidades mecânicas. O tratamento das madeiras é mais indicado para o alburno do que para o cerne, pois possui maior capacidade de penetração. O dormente ideal é aquele que apresenta distribuição uniforme de alburno em todas as fases. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Tratamento Os principais agentes responsáveis pelo apodrecimento da madeira são os fungos e os insetos. Para evitar a proliferação destes agentes, é necessário atuar na sua fonte de alimentação, com o tratamento químico adequado. Os antissépticos utilizados podem ser divididos em: Preservativos Oleosos: Creosoto (óleo obtido da destilação do alcatrão de hulha) e pentaclorofenol; Preservativos Hidrossolúveis: Boliden K33, Tanalith, CCA, Sal de Wolman e Wolmanit CB. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Tratamento Secagem de dormentes. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Tratamento Dormentes no interior da autoclave.Dormentes sendo transportados para o interior da autoclave. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Tratamento Produção de vácuo na autoclave. Escoamento do preservativo. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Concreto DORMENTES DE CONCRETO ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Concreto A escassez de madeiras de boa qualidade e os inconvenientes identificados nos dormentes de aço motivaram vários países, a partir da 2ª Guerra Mundial, a estudar a possibilidade do emprego de dormentes de concreto armado. Os primeiros dormentes de concreto armado imitaram, na sua concepção, a forma dos dormentes convencionais de madeira, sendo constituídos basicamente por um bloco de concreto de seção constante. Os resultados não foram satisfatórios em virtude dos choques e vibrações produzidas pelas cargas dinâmicas dos veículos causarem trincas ou fissuras, apesar da armação metálica ter como função resistir aos esforços de tração. HISTÓRICO Essas fissuras se transformavam em verdadeiras rupturas devido à grande rigidez dos dormentes de concreto. As trincas apareciam geralmente na parte média do dormente em consequência do apoio irregular sobre o lastro. Devido a uma instalação defeituosa, ou mesmo a recalque do lastro na região, imediatamente abaixo dos trilhos, o dormente passa a se apoiar na sua parte média e terá que suportar momentos fletores muito mais elevados do que aqueles previstos em projeto. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Concreto HISTÓRICO ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Concreto HISTÓRICO Após experimentação em diversas estradas de ferro, principalmentena França, na Alemanha, na Bélgica e nos Estados Unidos, surgiram três principais tipos de dormentes de concreto: Concreto Protendido (monobloco); Misto ou bi-bloco (concreto e aço); Polibloco; ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Concreto MONOBLOCO O DCP (Dormente de Concreto Protendido) constitui o dormente de concreto mais utilizado pelas ferrovias que operam transportes em altas tonelagens e elevada carga por eixo. As falhas estruturais em dormentes de concreto devidas à flexão se manifestam preferencialmente na porção central (região tracionada). O concreto protendido consiste em uma técnica de fabricação que combina a utilização de aços de alta resistência, com limite de ruptura acima de 1 GPa, com concretos também de alta resistência (40 – 50 MPa). ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Concreto DORMENTE DE CONCRETO PROTENDIDO - DCP Com o desenvolvimento da tecnologia do concreto protendido e com o aperfeiçoamento do seu desenho, quando então a face inferior central ficou mais alta e com protensão mais reforçada, foram obtidos dormentes de concreto protendido, de alta qualidade e que têm se portado, satisfatoriamente, sob condições severas de serviço. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Concreto DORMENTES BI-BLOCO OU MISTO ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Concreto DORMENTES BI-BLOCO OU MISTO É um dormente constituído por dois blocos de concreto, ligados por uma barra de aço. Pesa, aproximadamente, 180 kg, para linhas de bitola internacional. De acordo com Soneville, os dormentes RS foram os únicos a suportarem tráfego de mais de 100 milhões de toneladas, nas piores condições (juntas em mau estado), sem apresentarem qualquer fissura ou sinal de fadiga. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Concreto DORMENTES BI-BLOCO OU MISTO ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Concreto DORMENTES POLIBLOCOS ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Concreto DORMENTES POLIBLOCOS Foi projetado para possuir as mesmas características de deformabilidade e resistência da madeira, com a durabilidade do concreto, não devendo, portanto, alterar o caráter elástico da via permanente e nem devendo ser assemelhado a um dormente de concreto protendido. Esse dormente é constituído por dois blocos de extremidade de concreto armado, ligados, elasticamente, por um bloco intermediário de concreto (viga). A elasticidade entre os blocos é garantida por “coxins”, de um material elástico especial (pag-wood), inseridos entre as peças. Longa vida útil; Maior rigidez (estabilidade) da via; Maior resistência aos agentes atmosféricos e durabilidade; Características físicas e mecânicas uniformes; Redução dos custos de manutenção da via; Recalques mais uniformes; Economia de lastro ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Concreto V A N T A G E N S Necessidade de processo de fabricação apurado; Dificuldade de transporte e manuseio devido ao peso elevado; Dificuldade de fixação eficaz; Perda total em caso de acidente. Preço de aquisição elevado; Valor residual nulo; Necessidade de palmilha amortecedora de vibração. D E S V A N T A G E N S ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Aço Consiste em uma chapa laminada, em forma de U invertido, com garras laterais responsáveis pela fixação no lastro, impedindo consequentemente, o deslocamento transversal da via. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Aço Material perfeitamente homogêneo; Longa vida útil (40 / 50 anos) em relação a outros materiais; Boa resistência aos esforços transversais Relativamente leve (70 kg / unidade); Menor custo de assentamento na linha; Boa resistência; Valor residual elevado. Maior dificuldade para socaria e nivelamento; Necessidade de linha com alto padrão de lastro e isenta de impactos na superfície de rolamento; Condução elétrica; Custo de aquisição elevado; Geração excessiva de ruídos; Corrosão acelerada nos túneis e na vizinhança do mar; Limitação para linhas de tráfego pesado. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Aço ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Aço ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Plástico DORMENTES DE PLÁSTICO ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Plástico Possui as mesmas características técnicas dos dormentes de madeira, sendo fabricado de plástico reciclado. Atualmente pouco aplicado no Brasil, devido a necessidade de estrutura de fabricação e tecnologia. DORMENTES DE PLÁSTICO ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Plástico Boa resistência mecânica. Pode ser furado, serrado e parafusado como a madeira; Fácil manuseio (peso moderado); Amortecimento (absorção das vibrações, impactos e ruídos gerados pelo tráfego); Facilidade de substituição (redução no tempo gasto para restabelecimento da circulação); Bom isolante para sinalização (dispensa de isoladores na interface trilho/dormente); Alto valor residual, podendo ser reciclado após utilizado na ferrovia; Grande resistência à ação das intempéries; Ecologicamente correto pois além de ser confeccionado com material reciclado, evita o corte de árvores; Não racha, não solta farpas. V A N T A G E N S ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURADORMENTES Plástico D E S V A N T A G E N S Alto custo de aquisição; Exigência de ciclos de manutenção mais curtos (afrouxamento da fixação); Maior consumo na via; Dificuldade de fabricação e produção em alta escala; Dificuldade de aquisição de grandes volumes de matéria-prima (polietileno). ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURATRILHOS São os elementos da superestrutura que constituem a superfície de rolamento para as rodas dos veículos ferroviários. São os componentes mais importantes da superestrutura. É tecnicamente considerado o principal elemento de suporte e guia dos veículos ferroviários e, economicamente detém o maior custo entre os elementos estruturais da via. Sua forma e comprimento sofreram mudanças gradativas até atingirem os perfis modernos de grande seção e peso, compatíveis com as elevadas cargas por eixo das composições atuais. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURATRILHOS Boleto - Parte superior do trilho onde se apoiam e se deslocam as rodas dos veículos (40 a 42%). Alma - Parte estreita e vertical da seção transversal do trilho compreendida entre o boleto e o patim (18 a 22%). Patim - Parte mais larga do trilho que é apoiada e fixada diretamente por intermédio da placa de apoio (38 a 40%). ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURATRILHOS A forma e o comprimento das peças evoluíram, gradativamente, até alcançarem as modernas seções e pesos por metro, suportando as grandes cargas por eixos, dos trens modernos ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA Perfis Transversais TRILHOS Inicialmente eram de forma simétrica – após desgaste bastava virar. Mas observou-se que após desgastes o trilho deveria ser descartado. Surgiu o trilho de Dupla Cabeça Dissimétrico. Utilizado somente em linhas urbanas (bondes e VLT’s). Como os frisos da roda correm na fenda existente no boleto do trilho, possibilita-se o calçamento de ruas, sem os danificar. Utilizado na maioria das linhas ferroviárias no mundo, o perfil desenvolvido pelo inglês Vignole possibilita melhor fixação nodormente, seja diretamente ou com auxílio de placas de apoio. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA Perfil Vignole TRILHOS A geometria do perfil Vignole favorece a resistência à flexão. Maior Momento de Inércia. Maior parte da massa nos pontos onde as tensões normais são maiores. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURATRILHOS Requisitos Boleto O boleto deve ter massa adequada para que o desgaste do trilho não afete o momento de inércia da seção; Deve possuir altura suficiente para resistir à flexão. Quanto maior a alma, maior a distância do boleto e do patim com relação à linha neutra da seção; Alma Patim A espessura deve ser ainda suficiente para reduzir o nível de tensões residuais decorrentes do resfriamento diferenciado, durante a operação, do boleto e do patim. Quanto mais massa estiver concentrada no boleto e no patim, maior será sua resistência à flexão. Entretanto, deve-se conservar uma espessura mínima na alma capaz de garantir adequada resistência e rigidez transversal. Não deve ser muito fino, se não possuir espessura adequada pode acumular deformações permanentes ao longo de sua vida útil e provocar acidentes; ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURATRILHOS Funções do Trilho Garantir uma superfície de rolamento para os veículos ferroviários. Receber as solicitações dos trens. Servir de guia para a via permanente ferroviária. Ferro - Elemento básico do aço (98% da composição); Carbono - Proporciona maior dureza ao aço; Manganês - Aumenta a dureza do trilho, porém encarece muito o preço, sendo por isso empregado apenas nos trilhos de aço-liga e aparelhos de mudança de via; Silício - Aumenta a resistência à ruptura; Fósforo - Elemento indesejável na composição, pois torna o trilho quebradiço; Enxofre - Elemento indesejável devido a combinação com o ferro gerar segregações. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Composição ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Aço Os trilhos de aço especial são trilhos de alta qualidade (maior resistência e dureza), produzidos com ligas que combinam o ferro com vanádio, cromo, molibdênio, titânio, nióbio, entre outros. Outro procedimento adotado para aumento da dureza superficial dos trilhos consiste no tratamento térmico. Este processo consiste num resfriamento rápido do trilho e posterior reaquecimento pelo calor interno. A técnica pode ser realizada em todo o trilho ou apenas na região do boleto. O aço constitui o principal material utilizado nos trilhos por apresentar elevada tensão de escoamento e ruptura (σe e σr), composição química uniforme e isenção de inclusões não metálicas, vazios e trincas térmicas (garantido pelo processo de fabricação). O aço comum possui como impurezas o enxofre e o fósforo, que tornam os trilhos quebradiços. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Tratamento ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Peso / metro O peso dos trilhos, por unidade de comprimento guarda relação com os esforços verticais que o trilho tem que suportar e com o desgaste admissível no boleto. A escolha do trilho dependerá das cargas, velocidade e tráfego da via. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Classificação Exemplo: 380195 – C – 15 Significado: nº da corrida – posição do trilho no lingote – nº de ordem do lingote – indicação da extremidade correspondente à cabeça (topo), do lingote; São feitas para permitir a identificação dos trilhos, quanto às suas qualidades e características e comparação das possíveis avarias, com as qualidades reveladas nos ensaios de recebimento. Exemplo: CSN – BRAZIL – RC – SM –TR 45 – 1975 – IV Significado: Marca da usina – País de procedência – resfriamento controlado – tipo de forno utilizado [T – Thomas; B – Bessemer; M – Martin; E – Elétrico; SM – Siemens/Martin] – tipo de trilho [quanto ao peso por metro] – ano da fabricação – mês da fabricação [abril]; De um lado da Alma Do outro lado da Alma ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Classificação A NBR 12326 disciplina a marcação dos trilhos no Brasil. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Classificação Identificação em alto relevo ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Durabilidade A vida útil dos trilhos em uma via férrea é limitada pelo desgaste, na maior parte dos casos, ou pela ruptura por fadiga decorrente de carregamento cíclico. Assunto de grande importância pois afeta a economicidade da exploração ferroviária. Várias especificações vem sendo adotadas para se delimitar o limite de uso de um trilho, ou seja, sua durabilidade. Algumas estradas de ferro admitem o limite de 12 mm de desgaste vertical do boleto em linhas principais e 15 a 20 mm em linhas secundárias. O limite geralmente estabelecido para o desgaste é de 25% da área total do boleto. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Durabilidade Para o desgaste lateral, admite-se que o ângulo ϴ possa variar entre 32 e 34º. A perda de peso admitida é de 10% para trilhos TR-45 e de 15 a 20% para trilhos mais pesados. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Durabilidade Decorrente da ação mecânica entre roda e trilho, que podem possuir ou não a mesma dureza. A rapidez que surge é função do raio da curva e do peso da carga transportada pelos veículos. DESGASTE Para medir o desgaste utiliza-se pantógrafos e ponteiras. Pantógrafo: Aparelho de Richter ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Durabilidade DESGASTE ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Durabilidade FADIGA A fadiga consiste no fenômeno que pode ocorrer nos trilhos, levando- os à ruptura mesmo quando solicitados com tensões inferiores à tensões de ruptura. A ocorrência deste fenômeno relaciona-se ao acúmulo de rearranjos de cristais de metal gerados a cada ciclo de solicitação. As passagens intermitentes dos trens ao longo dos anos constituem um carregamento cíclico, que pode ocasionar a fadiga. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Durabilidade FADIGA ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURATRILHOS Soldas As juntas são os pontos iniciais da destruição da via. Aperfeiçoar as juntas mecânicas Reduzir o número de juntas, aumentando o comprimento dos trilhos. Soldagem dos trilhos. Em campo. Em estaleiro. Soldagem elétrica- Consiste no aquecimento e compressão das pontas dos trilhos com alta carga elétrica, em estaleiro específico. No final do processo, realiza-se o tratamento térmico e esmerilhamento dos trilhos. Soldagem aluminotérmica: geralmente executada em campo. Soldagem oxiacetilênica: consiste no aquecimento e compressão das pontas por bicos de chamas oxiacetilênicas (menos comum no Brasil). A soldagem dos trilhos de 12, 18 ou 24 metros proporciona economia nos materiais das juntas e redução nos gastos de conservação da via. Além disso, permite um movimento mais suave das composições ferroviárias (maior conforto e velocidade). Podem ser executadas em campo (ao longo da ferrovia já construída) ou em galpões especiais conhecidos como “estaleiros de solda”. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Soldas ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Soldas SOLDAGEM EM ESTALEIRO É um processo, totalmente, automatizado e independe da perícia do operador. Consiste em elevar-se a temperatura das pontas dos trilhos, empregando-se neste aquecimento corrente de baixa tensão e alta intensidade (12.000 a 60.000 A), produzida por um transformador especial. Após o aquecimento“ao rubro”, as pontas são comprimidas, uma contra a outra, com pressão variando entre 500 e 600 kgf/cm2, de modo que se forma um “bulbo” de metal fundido. Após a fundição, é feito um tratamento térmico da solda e um acabamento, por esmerilhamento, para garantir-se a continuidade geométrica do trilho. Soldagem elétrica ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Soldas SOLDAGEM EM ESTALEIRO Soldagem Oxiacetilênica ou “Caldeamento” Neste processo, o aquecimento das pontas é produzido por bicos periféricos de chamas oxiacetilênicas, atingindo uma temperatura, relativamente, baixa de no máximo 1 150° C . As pontas dos trilhos são então comprimidas uma contra a outra, com uma pressão superior a 200 kgf/cm2 e assim mantidas por algum tempo até que a soldagem se verifique. Após o resfriamento a solda é submetida a um tratamento térmico de “normalização”. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Soldas Soldagem Oxiacetilênica ou “Caldeamento” ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Soldas Soldagem Oxiacetilênica ou “Caldeamento” Vantagens Instalações fixas; Maior uniformidade da solda; Menor dependência do operador; Zona termicamente afetada (ZTA) reduzida; Melhor controle de qualidade; Maior produção diária. Desvantagens Grande investimento em equipamento e equipe; Comprimentos das barras limitados em função do transporte; ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Soldas Soldagem Oxiacetilênica ou “Caldeamento” ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Soldas Soldagem Aluminotérmica Baseia-se na propriedade que tem o alumínio de combinar-se, rapidamente, com o oxigênio dos óxidos metálicos, formando óxido de alumínio e liberando o metal envolvido. A reação ocorre em alta temperatura, acima de 3 000 ° C, necessitando calor inicial de 800 a 1 000 ° C, evoluindo depois, rapidamente, até a combinação total do alumínio com o oxigênio e liberando o ferro. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Soldas Soldagem Aluminotérmica As pontas dos trilhos são preparadas para a soldagem e ligadas por uma fôrma que envolve a junta. Sobre a fôrma é instalado um “cadinho”, dentro do qual se processará a reação química entre uma mistura de óxido de ferro granular e pó de alumínio, que é produzida em proporções correspondentes às dimensões da solda a ser executada. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Soldas Soldagem Aluminotérmica Após a reação aluminotérmica o aço líquido resultante é despejado na forma pelo fundo do cadinho ficando no mesmo, o óxido de alumínio sobrenadante (por ter menor densidade). Em seguida é efetuado o tratamento da solda com “rebarbamento” e “esmerilhamento”, para garantir- se a continuidade geométrica do trilho. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Soldas Soldagem Aluminotérmica Todo o processo pode ser executado “in-situ” em apenas 26 minutos, com um consumo de mão de obra de, aproximadamente, 4 Hh/solda, em serviço bem organizado. O processo tem a desvantagem de ter custo unitário bastante alto. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Soldas Soldagem Aluminotérmica Vantagens Baixo investimento com equipamento; Própria para soldagem no campo; Dispensa de instalações fixas. Desvantagens Processo muito caro; Necessidade de perícia do operador; Maior zona termicamente afetada (ZTA); Valor: US$ 276,35/unidade Os trilhos são considerados curtos, quando as folgas nas juntas são suficientes para permitir a dilatação e a contração dos mesmos. Nos trilhos curtos, os trilhos adjacentes não exercem, entre si, pressões através das talas. Sempre existirão folgas que absorvam as variações de comprimento, em trilhos da mesma fila. Esta forma de fixação dos trilhos foi muito utilizada até aproximadamente a década de 50. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Caracterização Trilhos Curtos Admitindo a folga máxima permitida entre trilhos ser de 1,5 centímetros, o comprimento máximo de cada trilho deverá ser de aproximadamente 40 metros. A solda de dois trilhos de 18 metros ou três trilhos de doze metros permite alcançar este objetivo. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Caracterização Trilhos Longos Soldados - TLS São aqueles em que a folga nas juntas é insuficiente para permitir a dilatação, acarretando com isso, tensões internas de tração ou compressão. Podem estar em estado de dilatação ou de contração, de acordo com a variação da temperatura. Este estado pode ser total ou parcialmente contrariado pelo atrito do trilho com os dormentes e destes com o lastro. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Caracterização Trilhos Contínuos Soldados - TCS Surgiram com a necessidade de impedir que os trilhos se movimentassem nas variações de temperatura, além de reduzir a quantidade de juntas, tornando-o quase infinito (menos OAE e AMV). É todo aquele trilho que atendendo à definição de “trilho longo”, tem comprimento tal que em sua parte intermediária existe uma extensão fixa que não sofre deformação, em estado de tensão máxima. As juntas de dilatação podem ser consideradas descontinuidades da via férrea, ocasionando impactos constantes das rodas dos veículos nos trilhos e aumentando a necessidade de manutenção, além de gerar grande desconforto aos passageiros. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURA TRILHOS Caracterização Trilhos Longos Soldados - TLS V A N T A G E N S Redução do número de dormentes, talas de junção e material da via em geral; Economia com a conservação da via (redução de juntas); Maior vida útil média dos trilhos; Possibilidade de utilizar trilhos velhos; Economia com conservação do material rodante (menos trepidações); Maior conforto aos passageiros. O comprimento máximo a ser utilizado nos trilhos deve ser avaliado em função do custo de soldagem e transporte e da economia gerada com a conservação das juntas. Entretanto, deve-se evitar a utilização de trilhos longos soldados com extensão próxima ao mínimo teórico. A ocorrência de trilhos soldados com este comprimento gera trechos instáveis de via férrea, distribuição assimétrica de tensões nos trilhos e necessidade de maior quantidade de retensores e juntas. ELEMENTOS DE OBRAS FERROVIÁRIAS SUPERESTRUTURATRILHOS Comprimento de Trilhos FIM! jeantrs@hotmail.com
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