Aula 11 - Superestrutura ferroviária - Distribuição de Pressões e Dimensionamento do lastro ferroviário

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SUPERESTRUTURA VIÁRIA
PUC Minas – Unidade Barreiro
Engenharia Civil
Prof. Eng. Raphael Santos
Distribuição de Pressões na via permanente
O conjunto de elementos que constituem a via permanente 
possibilita a transferência das cargas provenientes da 
passagem dos veículos para a fundação. Cada um dos 
elementos absorve parte das tensões que nele chegam, 
transmitindo tensões menores para a camada seguinte.
Distribuição de Pressões na via permanente
Distribuição de Pressões na via permanente
No exemplo dado, para a carga de 100 kN por roda, obtém-se 
tensões entre o trilho e a placa de apoio de aproximadamente 
3,0 MPa. Na interface placa de apoio e dormente, como a área 
de contato é maior, as tensões serão menores com valores de 
aproximadamente 1,2 MPa. Entre os dormentes e o lastro, a 
tensão cai para 0,3 MPa. E, finalmente, na fundação chegam 
tensões da ordem de 0,05 MPa.
Esforços Longitudinais
Os esforços longitudinais são causados essencialmente por
forças decorrentes da variação da temperatura, do
caminhamento da via, da aceleração e da frenagem dos
veículos.
Esforços Longitudinais
A magnitude desses esforços não influencia o desempenho
da via a não ser em algumas pontes e obras de arte
(ALIAS, 1984).
Esforços Transversais
Os trilhos são submetidos a esforços secundários de torção
devido à excentricidade de aplicação de carga e à
existência de uma folga entre o friso das rodas e o trilho
(ALIAS,1984).
Esforços Transversais
Os esforços transversais resultantes de forças aplicadas no
sentido longitudinal dos dormentes são, principalmente,
causados por:
 Forças centrífugas não compensadas geradas pela existência de
uma curva;
 Ação de ventos laterais;
 Forças de origem térmica;
 Contato entre friso e trilho em curvas;
 Componentes dinâmicos devido a irregularidades da via.
Esforços Transversais
Apesar de apresentarem menores intensidades que as
forças verticais, as forças transversais são importantes,
pois o lastro é menos rígido e menos resistente no sentido
transversal (ALSHAER, 2005).
Esforços Transversais
Além disso, a razão entre os valores dos esforços
transversal (T) e os esforços verticais (V), detalhado a
seguir, é um fator importante para a análise da estabilidade
do veículo quanto ao descarrilamento.
Esforços Verticais
As cargas verticais impostas à via pela passagem de
veículos podem ser separadas em estáticas e dinâmicas.
As cargas estáticas resultam, principalmente, do peso dos
vagões, obtidos pela soma da tara do veículo e do material
transportado.
Esforços Verticais
As cargas dinâmicas são causadas tanto por propriedades
da via, como a presença de irregularidades geométricas ou
variações de rigidez, quanto pelas características de
rolagem no contato roda/trilho, como a existência de
irregularidades nos trilhos, nas rodas e por
descontinuidades nas junções de trilhos.
DISTRIBUIÇÃO DE ESFORÇOS
DISTRIBUIÇÃO DE ESFORÇOS
As rodas impõem uma força vertical nos trilhos que faz com
que as seções imediatamente abaixo da roda se
desloquem para baixo, tracionando a parte inferior do trilho.
No entanto, seções do trilho localizadas a certa distância
do ponto de aplicação de carga tendem a se deslocar no
sentido oposto, tracionando a parte superior do trilho.
Manutenção ferroviária
Manutenção ferroviária
O direcionamento da manutenção ferroviária é fator
determinante no aumento da produtividade do
transporte ferroviário em geral.
Manutenção ferroviária
Através da realização das inspeções de via permanente
é possível mapear os trechos críticos e direcionar as
prioridades de manutenção, de modo a causar sempre o
menor impacto à circulação dos trens.
Manutenção ferroviária
Com o aumento da previsibilidade dos serviços a serem
realizados, o planejamento das manutenções é facilitado e
o número de interferências na linha férrea diminui, o
que favorece o planejamento das operações logísticas.
Manutenção ferroviária
Manutenção ferroviária
Para a realização de manutenção é necessário determinar
o quanto seus componentes estão gastos e qual o limite
ideal para sua substituição ou reparo. Para isso é preciso
verificar cada quilômetro das estradas de ferro a fim de
identificar áreas que necessitam manutenção e/ou reparo.
Manutenção ferroviária
Devido a extensão do trechos e ao provável índice de falha
gerado pela inspeção a olho humano, a inspeção de vias
permanentes, nos dias atuais, é realizada em sua maioria
através de carros controle, que desempenham essa função
com muito mais agilidade, precisão e segurança.
Manutenção ferroviária
Manutenção ferroviária - Defeitos
No plano horizontal:
 Diferenças na bitola
 Afrouxamento da fixação
 Deslocamento transversal das tangentes
 Deslocamento das curvas
 Arrastamento dos trilhos
 Deslocamento dos dormentes
Manutenção ferroviária - Defeitos
No plano vertical:
Desnivelamentos na plataforma
 Desnivelamentos nos trilhos (Laqueados, arriados)
 Desnivelamentos nas juntas dos trilhos
 Defeito na superelevação
Manutenção ferroviária - Defeitos
Outros defeitos:
 Desgaste ou fratura das talas de junção
 Desgaste dos parafusos nas talas – Perda da rosca
 Desgaste ou fratura dos trilhos
 Defeito nos AMV (Aparelho de Mudança de Via)
 Colmatagem do lastro
Manutenção ferroviária - Defeitos
Outros defeitos:
 Afrouxamento dos parafusos das juntas
 Modificação na inclinação correta dos trilhos
 Alargamento dos furos do dormente
 Crescimento de mato na faixa da linha
 Apodrecimento dos dormentes
 Defeitos de drenagem
 Entupimento ou destruição das valetas de escoamento
Manutenção ferroviária
 Conservação eventual: Reparação dos defeitos à medida
que vão aparecendo.
 Conservação racional da via ou metódica: É aquele em
que se obedece a uma programação dos serviços e a um
controle rigoroso de produtividade e custo.
Manutenção ferroviária
Objetivos:
 Manter a linha em boas condições técnicas
 Manter o alinhamento e nivelamento
 Manter a plataforma estável e bem drenada
 Manter o lastro limpo
 Manter constante vigilância contra acidentes
Manutenção ferroviária – Principais serviços
1) Limpeza da faixa: limpeza da vegetação na plataforma
da via férrea. Pode ser manual, mecânica ou química.
2) Retificação da bitola: Modificação do traçado para
reduzir o número de suas curvas ou aumentar seus raios
de curvatura.
Manutenção ferroviária – Principais serviços
3) Substituição dos dormentes: Retirada dos dormentes
que não atendem as condições necessárias para a
trafegabilidade.
4) Reforço da fixação: Material ou peça que se coloca em
determinadas partes para aumentar a resistência da
fixação.
Manutenção ferroviária – Principais serviços
5) Nivelamento da linha: Colocação ou reposição da
superfície de rolamento da via na devida posição em perfil.
6) Nivelamento das juntas: Colocação das juntas no
mesmo plano da fila dos trilhos.
Manutenção ferroviária – Principais serviços
7) Construção de valetas: Vala de pequena seção que
coleta e escoa águas superficiais na plataforma.
8) Limpeza e recomposição do lastro: Remoção do lastro
da via, eliminação das partículas causadoras da obstrução
da drenagem (colmatação) com auxílio de equipamentos
mecânicos e reposição de lastro na via.
Manutenção ferroviária – Principais serviços
9) Substituição dos trilhos gastos ou defeituosos: Retirada
dos trilhos que não atendem as condições necessárias
para a trafegabilidade.
10) Reparação das cercas de vedação da faixa:
Manutençãorealizada para garantir o bom estado da cerca,
principalmente em áreas urbanas.
Manutenção ferroviária – Principais serviços
11) Reparação dos AMV: Manutenção dos aparelhos de
mudança de via, realizados em conjunto entre a equipe de
via permanente e a equipe de sinalização.
12) Reparação, limpeza e pintura das obras de arte
(bueiros, pontes, pontilhões)
Manutenção ferroviária – Principais serviços
13) Limpeza das valas, valetas
14) Aperto e lubrificação das juntas
15) Inspeção da linha
Dimensionamento de lastro 
ferroviário
Dimensionamento de lastro ferroviário
Material para o lastro:
– Massa específica ≥ 2700 Kg/m³
– Abrasão Los Angeles ≤ 35%
– Granulometria: Dimensões entre 2 e 6 cm
– Resistência à ruptura: 700 kg/cm²
– Substâncias nocivas: a quantidade de substâncias nocivas 
e torrões de argila não deve ultrapassar 1%
Dimensionamento de lastro ferroviário
Altura do Lastro (cálculo baseado nos estudos de Talbot):
• Diagrama de distribuição de pressões no lastro
• Bulbo de distribuição de pressões
• As percentagens representam a pressão média na face 
inferior do dormente em contato com o lastro
Dimensionamento de lastro ferroviário
Dimensionamento de lastro ferroviário
Altura do Lastro:
– P0 = pressão média na face inferior do dormente (Kg/cm²)
– Ph = pressão a uma profundidade qualquer (Kg/cm²)
Dimensionamento de lastro ferroviário
Dimensionamento de lastro ferroviário
Altura do Lastro – Segundo Talbot
• Ph = pressão a uma profundidade h (Kg/cm2)
• Po = pressão média na face inferior do dormente (Kg/cm2)
• h = altura do lastro (cm) h ≥ 25 cm
Dimensionamento de lastro ferroviário
Determinação de P0
• Pc = carga a ser considerada sobre o dormente
• b = largura do dormente (cm)
• c = faixa de socaria (cm) - varia de 70 a 80 cm para bitola métrica e
de 80 a 90 cm, para bitola larga
Dimensionamento de lastro ferroviário
Pr - peso da roda mais pesada
Cd - Coeficiente Dinâmico
d - distância entre eixos da locomotiva
a - distância entre centros dos dormentes
V - velocidade em km/hcomo
Cd - mínimo de 1,4
Dimensionamento de lastro ferroviário
Ps - pressão de ruptura do sublastro
cs - coeficiente de segurança que varia entre 5 e 6
Ph - pressão a uma profundidade h (Kg/cm²)
Ṗ - tensão admissível no sublastro (Kg/cm²)
Tensão admissível no sublastro
Dimensionamento de lastro ferroviário
Exemplo do cálculo da altura do lastro
Dimensionar a altura do lastro sabendo-se os seguintes dados:
Peso por eixo - 20 toneladas
Dimensão dos dormentes - 2,00 x 0,20 x 0,16
Coeficiente dinâmico ou coeficiente de impacto - 1,4
Faixa de socaria - 70 cm
Distância entre eixos da locomotiva - 2,20 m
Taxa de dormentação (dormente/km) - 1750 und/km
CBR do sublastro - 20%
Dimensionamento de lastro ferroviário
Solução
1) a = distância entre o centro dos dormente = 1000/1750 = 0,57
2) n = distância entre eixo / a
n = 2,20 / 0,57 = 3,86
3) 
Pr - peso da roda mais pesada (20 x 1000 kg) / 2 = 10000 kg
Pc = (10000/3,86) x 1,4 = 3627 kg
Dica: 20 ton/eixo, cada eixo 2 rodas, cada ton = 1000kg
Dimensionamento de lastro ferroviário
Solução
4) b - largura do dormente
c - faixa de socaria
Po = 3627 kg / (20 cm x 70 cm) = 2,591 kg/cm²
5)
ps = (70 x 20) / 100 = 14 kg/cm²
Dimensionamento de lastro ferroviário
Solução
6)
Ph = 14 / 5,5 = 2,55 kg/cm²
7)
Ph = (53,87 / h
1,25) . Po
2,55 = (53,87 / h1,25) . 2,591  h = 24,7 = 25 cm
Dimensionamento de lastro ferroviário
Outra Solução (pelo gráfico)
Depois do passo 4, com os valores de Ph e Po pode-se calcular K%
K% = (2,55 / 2,591) x 100 = 98,4%
Entrando no gráfico vê-se que a altura é de aprox. 25 cm.
Obs: é usual, na prática, adotar uma altura nunca inferior a 25 cm
Dimensionamento de lastro ferroviário
Metodologia para dimensionamento da camada de lastro
1. Definir os parâmetros básicos:
– bitola;
– espaçamento entre dormentes;
– carga total máxima por veículo;
– afastamento entre duas rodas consecutivas;
– velocidade operacional;
2. Determinar a carga dinâmica (Cd);
3. Determinar a pressão sob a face inferior do dormente (Po);
4. Determinar pressão admissível (Ps) para do material do sublastro;
5. Determinar a altura da camada de lastro;
6. Fazer os cálculos para a camada de sublastro para verificar se a 
resistência de ruptura da plataforma suporta a carga.
Exercício 1
Dimensionar a altura do lastro sabendo-se os seguintes dados:
Peso por eixo - 10 toneladas
Dimensão dos dormentes - 2,00 x 0,22 x 0,16
Coeficiente dinâmico ou coeficiente de impacto - 1,4
Faixa de socaria - 80 cm
Distância entre eixos da locomotiva - 2,20 m
Taxa de dormentação (dormente/km) - 1800 und/km
CBR do sublastro - 20%
Exercício 2
Dimensionar a altura do lastro sabendo-se os seguintes dados:
Peso por eixo - 10 toneladas
Dimensão dos dormentes - 2,00 x 0,20 x 0,16
Coeficiente dinâmico ou coeficiente de impacto - 1,6
Faixa de socaria - 80 cm
Distância entre eixos da locomotiva - 2,20 m
Taxa de dormentação (dormente/km) - 1800 und/km
CBR do sublastro - 30%
Exercício 3
Dimensionar a altura do lastro sabendo-se os seguintes dados:
Peso por eixo - 20 toneladas
Dimensão dos dormentes - 2,00 x 0,20 x 0,16
Coeficiente dinâmico ou coeficiente de impacto - 1,6
Faixa de socaria - 70 cm
Distância entre eixos da locomotiva - 2,20 m
Taxa de dormentação (dormente/km) - 1500 und/km
CBR do sublastro - 20%