Ferrovia

Ferrovia

(Parte 1 de 4)

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia de Transportes

PTR 2501 ––– FEROVIAS

Prof... Dr... Telmo Giolito Porto

PTR 2501- FERROVIAS Prof. Dr. Telmo Giolito Porto

Ricardo Martins da Silva 1

1 Introdução4
1.1 História4
1.2 Características da Ferrovia6
1.2.1 Contato metal-metal6
1.2.2 Eixos guiados6
1.2.3 Bitola6
1.3 Características do Material Rodante7
1.3.1 Roda solidária ao eixo7
1.3.2 Existência de frisos nas rodas8
1.3.3 Conicidade das rodas8
1.3.4 Eixos9
2 Geometria da via10
2.1 Concordância em planta10
2.1.1 Grau de curva1
2.1.2 Deflexão1
2.1.3 Tangentes exteriores12
2.1.4 Raio da curva12
2.1.5 Cálculo do desenvolvimento12
2.2 Raio mínimo13
2.3 Superelevação e velocidade limite13
2.3.1 Superelevação teórica13
2.3.2 Superelevação prática máxima e velocidade de projeto14
2.3.3 Superelevação prática das demais curvas do trecho20
2.3.4 Velocidade mínima dos trens lentos em curva21
2.3.5 Traçados com curvas suaves2
2.4 Sobrecarga nos trilhos da curva2
2.5 Superlargura23
2.6 Concordância em planta com curvas de transição23
2.7 Concordância Vertical26
3 Elementos da Via Permanente28
3.1 Trilhos28
3.1.1 Perfis:29
3.1.2 Requisitos29
3.1.3 Aço do trilho31
3.1.4 Recebimento31
3.1.5 Defeitos32

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3.1.7 a) Desgaste:32
3.1.8 b) Fadiga:35
3.1.9 Soldagem35
3.1.10 Trilhos curtos36
3.1.1 Trilhos longos soldados TLS36
3.2 Talas de Junção43
3.3 Fixações45
3.3.1 Fixações rígidas45
3.3.2 Fixações elásticas46
3.4 Placa de apoio46
3.5 Dormentes47
3.5.1 Dormentes de madeira47
3.5.2 Dormentes de concreto49
3.5.3 Outros tipos50
3.5.4 Comparação entre tipos de dormentes50
3.6 Lastro52
3.7 Sub-lastro52
3.8 Sub-leito53
3.9 Aparelho de Mudança de Via (AMV)54
4 Cálculo estrutural da via permanente56
4.1 Sistema Veículo-Via56
4.2 Modelos estruturais da via56
4.2.1 Associação de molas57
4.2.2 Malha de elementos finitos58
4.2.3 Viga sobre apoio elástico58
4.3 Dimensionamento estrutural62
4.3.1 Trilho: tensão de contato com a roda62
4.3.2 Trilho: dimensionamento à flexão63
4.3.3 Dormente64
4.3.4 Lastro64
4.3.5 Subleito64
6 Lotação de trens67
6.1 Introdução67
6.2 Resistências ao movimento da composição69
6.2.1 Resistência normal69
6.2.2 Resistência de rampa69
6.2.3 Resistência de curva70

6.2.4 Resistência de inércia.........................................................................................70

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6.3 Esforço trator71
6.3.1 Potência da máquina71
6.3.2 Aderência72

Ricardo Martins da Silva 3 7 Circulação de trens. Licenciamento e capacidade de via. Sistemas de

sinalização78

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Ricardo Martins da Silva 4

1 Introdução

O mundo dispõe de diversos meios de transporte. Os mais utilizados são o rodoviário, o ferroviário, o aéreo, o fluvial e o marítimo. A viabilidade de utilização dessas diversas modalidades depende das características e exigências do material a ser transportado, distância de transportes e outros fatores.

O objetivo do nosso estudo é familiarizar o estudante com as características do sistema ferroviário, destacando a atuação do engenheiro civil. O curso abrange desde os elementos da via permanente aos mecanismos de operação do sistema, passando pelas características singulares dos veículos.

1...1 História

O engenheiro inglês Richard Trevithick construiu em 1803 um veículo a vapor similar a uma locomotiva, que pesava 5 toneladas e atingia 5 km/h.

George Stephenson , também engenheiro inglês, foi o verdadeiro criador da tração a vapor em estrada de ferro. Primeiro a compreender o princípio de aderência de rodas lisas sobre uma superfície também lisa, construiu em 1813 a locomotiva "Blucher", testada em 25 de julho de 1814, puxando 8 vagões com 30 toneladas, entre Lilligwort e Hetton.

A partir de 1840, houve uma expansão explosiva da construção ferroviária na

Inglaterra, fundamental para o crescimento tecnológico que consolidou aquele país como potência econômica mundial a partir da Revolução Industrial.

A distribuição das mercadorias foi facilitada, pois os trens transportavam rapidamente cargas pesadas, a longas distâncias e por fretes reduzidos.

Desde o advento da ferrovia, as estradas de ferro justificavam tal nome, pois, ao utilizarem trilhos de ferro, eram mesmo ferrovias ou vias férreas. Os trilhos apresentavam o inconveniente do desgaste, encarecendo a conservação das vias permanentes. A contribuição de Henry Bessemer em 1856 consistiu-se na fabricação de trilhos de aço que, praticamente, não se desgastavam. A partir de então, as estradas de ferro passaram a trafegar sobre trilhos de aço com maior segurança e conservação.

O sucesso inglês despertou o interesse do governo imperial brasileiro, que elaborou uma lei em outubro de 1835 incentivando a construção de estradas de

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Ricardo Martins da Silva 5 ferro. Estas deveriam ligar a capital do país, Rio de Janeiro, às províncias de Minas Gerais, Rio Grande do Sul e Bahia. Em 30 de abril de 1854, foi inaugurada a primeira linha ferroviária do Brasil, ligando o Porto de Mauá (Baía da Guanabara) a Petrópolis, na Vila do Fragoso. Com 14,5 km de extensão, puxado pela locomotiva "Baronesa", o primeiro trem a circular no Brasil fazia a ligação entre a capital e Petrópolis, cidade serrana onde a corte despachava no verão e para onde convergia a nobreza carioca (tão útil quanto as ferrovias inglesas...).

Incentivado pela Inglaterra, que fornecia equipamentos, técnicos e empréstimos, o Brasil construiu diversas linhas que atendiam principalmente a exportação de matérias primas e produtos agrícolas, como o café.

Entre as duas grandes guerras mundiais, ocorre o desenvolvimento da tração a diesel, prenunciando-se a substituição da locomotiva a vapor. A expansão do capitalismo exigia a necessidade de maior velocidade no transporte de cargas e passageiros. A combinação dessa nova fonte de energia com a aerodinâmica atendeu a essa exigência. As primeiras experiências ocorreram na Alemanha (país de origem de Ludwig Diesel), em 1933, na linha Berlim-Hamburgo, com o trem de passageiros aerodinâmico, a uma velocidade de 160 km/h. Em 1934, as companhias americanas Union Pacific e Burlington Railroad, com o trem "Zephyr" de três carros de aço inoxidável, movido por um motor diesel de 600 HP e acionado por um gerador, percorreram a linha entre Denver e Chicago (164 km) a uma velocidade de 120 km/h.

No final do século passado, ocorreram muitas tentativas para a aplicação da energia elétrica na tração dos trens. Dentre as bem-sucedidas, temos a de Von Siemens, na Alemanha. Nos EUA, a primeira eletrificação aconteceu em 1895, na Baltimore e Ohio Railroad; autoridades municipais eram pressionadas pela população para que o incômodo da fumaça fosse eliminado das linhas que atravessavam as cidades.

No começo do século X, nos EUA e Europa, centenas de quilômetros de linhas férreas foram eletrificadas. Com isso, o serviço de passageiros suburbanos ganhou qualidade, pois freqüentes paradas exigiam maior poder de aceleração. Os empresários concluíram que a tração elétrica diminuía os custos operacionais tornando os serviços mais atraentes. Em 1945, vários países apresentavam redes eletrificadas: Itália, Suécia, EUA, Suíça, França, Alemanha, Rússia e Grã-Bretanha. A maioria das eletrificações ocorria em vias de intenso tráfego (o que

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Ricardo Martins da Silva 6 justificava o alto custo do investimento nessas instalações) e em linhas que apresentavam restrições à tração a vapor. As locomotivas elétricas exerciam grande força de tração por longos períodos sobre trechos muito íngremes.

No Brasil, a pioneira na eletrificação foi a Companhia Paulista de Estradas de Ferro, no trecho Jundiaí - Campinas, em 1927.

1...2 Características da Ferovia

1...2...1 Contato metal---metal

A interação veículo-via se dá pelo contato direto das rodas metálicas do trem com os trilhos, que também são metálicos. Isto provoca um desgaste considerável dessas partes devido a grande magnitude da carga que solicita as rodas. Apesar da pequena resistência ao desgaste, esta alta solicitação faz com que este tipo de interação veículo-via seja o mais adequado.

1...2...2 Eixos guiados

Diferentemente dos outros meios de transporte, o sistema ferroviário não possui mobilidade quanto à direção do veículo. Seu trajeto é guiado pelos trilhos.

A distância entre os trilhos é uma característica da via e é denominada bitola (figura 1.1). Uma via, entretanto, pode ter mais de um tipo de bitola, permitindo que seja utilizada por mais de um tipo de trem (figura 1.2).

Padronizou-se no mundo bitolas de 1.0 m, 1.435 m e 1.6 m. A tolerância no tamanho da bitola varia em função do país, da organização ferroviária e da velocidade da via.

Não deixe de visitar o site da CPTM (Companhia Paulista de Trens

Metropolitanos), principalmente o link referente à História do Trem. As informações estão organizadas numa estrutura de fácil navegação com design bastante atraente, recheado de fotografias. O texto acima constitui um breve resumo de alguns dos tópicos abordados. http://www.cptm.com.br

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Figura 1.1 – Bitola

Figura 1.2 – Via permanente adaptada para duas bitolas

1...3 Características do Material Rodante

1...3...1 Roda solidária ao eixo

Devido à robustez do trem, as rodas são solidárias ao eixo, não permitindo movimento relativo. Como conseqüência, aparece escorregamento entre as rodas e os trilhos quando o trem descreve uma trajetória curvilínea. Além disso, os eixos são montados paralelamente numa estrutura denominada truque. A dificuldade de inscrição do truque (com seus eixos paralelos e solidários às rodas) nos trilhos de uma curva limita os raios mínimos em valores bastante superiores aos das rodovias. Sistemas que não exigissem paralelismo entre os eixos a fim de facilitar a inscrição nos trilhos seriam muito complexos e frágeis devido, mais uma vez, à robustez do trem.

Bitola

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Figura 1.3 – rodas solidárias ao eixo e paralelismo dos eixos de um mesmo truque

1...3...2 Existência de frisos nas rodas

Os frisos nas rodas (fig. 1.3) mantêm o trem sobre os trilhos, evitando um deslocamento lateral que provoque descarrilamento.

1...3...3 Conicidade das rrrooodas

As rodas possuem ainda uma configuração cônica (fig 1.3) que tem duas funções: ¾ centraliza o veículo nos trilhos uma vez que, quando o mesmo se desloca mais para o lado de um trilho, a geometria cônica o faz escorregar pela gravidade de volta para o centro.

Figura 1.5 – A conicidade da roda alinha o trem entre os trilhos pela ação gravitacional ¾ diminui (um pouco) o efeito do escorregamento das rodas nas curvas,

“Soldadas” ao eixo

Paralelismo

Truque

Friso Conicidade

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Ricardo Martins da Silva 9 pois o trem se apóia numa curva no trilho externo e a configuração das rodas faz com que a externa tenha uma circunferência de contato com o trilho maior que a interna.

As cargas são dispostas nas pontas dos eixos, diferentemente dos caminhões (figura 1.7). Além disso, as rodas nunca estão fora do gabarito da “caixa”. Outro aspecto relativo aos eixos é o fato do paralelismo dos mesmos no truque, como foi comentado acima.

Figura 1.7 – Rodas dentro do gabarito da caixa e carregamento na ponta dos eixos

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2 Geometria da via

O capítulo aborda: • Concordância em planta com Curva de Transição

• Superelevação e velocidade limite nas curvas

• Raio mínimo

• Superlargura

• Concordância vertical

2...1 Concordância em planta

As ferrovias têm exigências mais severas quanto às características das curvas que as rodovias. A questão da aderência nas rampas, a solidariedade rodaseixo e o paralelismo dos eixos de mesmo truque impõem a necessidade de raios mínimos maiores que os das rodovias. Como visto em traçado em planta para rodovias (PTR – 403), temos:

Figura 2.1 – Concordância em curvas

• Î: ângulo de deflexão Î AC = Î

• PC – PI e PI – PT: tangentes externas Î PC – PI = PI – PT A curva de transição entre o segmento reto e a curva será abordada mais

PC te PT

Î te

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Ricardo Martins da Silva 1 adiante.

2...1...1 Grau de curva

Para facilitar a locação, define-se Grau de Curva G como o ângulo central correspondente a uma corda de 20 m.

Figura 2.2 – Grau de curva

Figura 2.3 – Deflexão

• 2 α=d , sendo α o ângulo central correspondente a uma corda AB

• Se a corda AB vale 20 m (distância usual entre estacas para locação), o ângulo central é o Grau da Curva (dependente do raio). Assim, temos:

Corda de 20 m G/2 R

A B d

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• E a deflexão por metro:

• Para uma curva com um número inteiro n de graus de curva G, a deflexão total vale:

Caso contrário, onde l1 e l2 são os comprimentos das estacas fracionárias nos extremos da curva

2...1...3 Tangentes exteriores

2...1...4 Raio da curva O raio pode ser calculado em função da corda e da flecha da curva.

Figura 2.4 – Raio da curva

() f fCRfRCR ⋅

2...1...5 Cálculo do desenvolvimento

R Flecha f

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2...2 Raio mínimo

O raio mínimo para uma via férrea é estabelecido por normas e deve permitir a inscrição da base rígida dos truques dos carros e locomotivas, além de limitar o escorregamento entre roda e trilho.

2...3 Superelevação e vvvellloooccciiidddaaaddde llliiimmmiiittte

Superelevação consiste em elevar o nível do trilho externo de uma curva.

Esta técnica reduz o desconforto gerado pela mudança de direção, diminui o desgaste no contato metal-metal e o risco de tombamento devido à força centrífuga que aparece nas curvas.

A velocidade máxima de projeto de um determinado trecho (que possui em geral mais de uma curva) será definida considerando o raio da curva mais “fechada”

2...3...1 Superelevação teórica

()()ααcossen⋅=⋅FcPα é pequeno Î cos α =1;

Figura 2.5 – Superelevação teórica ()FcP=⋅αsen

VmP2sen⋅=⋅αsen α = h/B;

Força Resultante

Força Peso Força Centrífuga α h h superelevação

B bitola

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RVgPB

RVg

⋅=g = 9.81 m/s2 e v (m/s) = v (km/h) / 3.6;

R VBh para: • h em metros;

• V em km/h;

2...3...2 Superelevação prática máxima e vvvellloooccciiidddaaaddde ddde ppprrrooojjjetttooo

A velocidade máxima de projeto de uma via é prevista para trens de passageiros. Entretanto, esta mesma via é utilizada por veículos mais lentos, como trens de carga e veículos de manutenção. Como a velocidade desses veículos é menor, a componente da força centrífuga também é menor. Aparece portanto, o risco de tombamento do veículo mais lento para dentro da curva e de excesso de desgaste do trilho interno, caso a superelevação da mesma tenha sido dimensionada pelo critério teórico. Além disso, mesmo o trem de passageiros pode, por algum motivo, parar na curva.

A superelevação máxima admissível é definida como aquela que seguramente não provoca o tombamento do trem para o lado interno da curva quando este está parado sobre ela. Queremos determinar qual a velocidade máxima que um dado trem (com características definidas, como peso, altura do centro de gravidade, etc.) pode descrever uma curva que tenha superelevação máxima.

Lembrando: as curvas consideradas serão as de menor raio em cada trecho de velocidade constante.

Seqüência de raciocínio: 1º passo: Com os dados do veículo crítico (peso, altura do CG, etc.) verificamos qual o máximo valor da superelevação que pode ser aplicado com segurança numa curva para que, estando o veículo parado sobre ela, não venha tombar para o interior da mesma. Obs: o cálculo também pode considerar redução de velocidade, ao invés de

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Ricardo Martins da Silva 15 parada total. 2o passo: De posse do valor máximo admissível da superelevação para uma curva, calculamos as velocidades máximas que podem ser atingidas por esse veículo segundo dois critérios: conforto e segurança. Adota-se o menor dos dois valores como velocidade máxima de projeto no trecho.

1o_Superelevação Prática Máxima Um veículo parado sobre a curva não deve tombar para seu interior. Como os tipos de veículos que utilizam a via são variados (carga, passageiros, manutenção,...), deve-se calcular a superelevação prática máxima para cada um deles e adotar o menor dos resultados.

Figura 2.6 – Superelevação prática máxima

• H: altura do centro de gravidade em relação aos trilhos. É função da geometria dos diversos tipos de veículos, da ordem de 1,5 m para locomotivas diesel-elétricas e 1,8 para vagões fechados carregados até o teto;

Método Empírico (Normas ferroviárias):

• B = 1.60 m Î hmax = 18 cm; • B = 1.0 m Î hmax = 10 cm;

Método Racional:

H bitola deslocamento do CG hmax altura do CG força peso d d:

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Momento estabilizador:⎟⎠⎞⎜⎝⎛−≈⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=dBPdBPMe

cosα

Equilíbrio:MnMe⋅=

onde n é coeficiente de segurança.

HB hPndBP max2 nH Bh2max

Exemplo 1

• bitola larga Î B = 1,60 + 0,07 = 1,67 m;(0,07 é a largura do

boleto)

Exemplo 2

• bitola métrica Î B = 1,0 + 0,07 = 1,67 m; • d = 0,10 m;

2oa) _Cálculo de Vmax pelo critério do conforto

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