Estudo do Material de Lastro em Camadas Ferroviárias: Características e Testes, Manuais, Projetos, Pesquisas de Mecânica

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA POLITÉCNICA

ANTONIO HAMILTON MICHEL MERHEB

ANÁLISE MECÂNICA DO LASTRO FERROVIÁRIO POR MEIO DE

ENSAIOS TRIAXIAIS CÍCLICOS

São Paulo

2014

ANTONIO HAMILTON MICHEL MERHEB

ANÁLISE MECÂNICA DO LASTRO FERROVIÁRIO POR MEIO DE

ENSAIOS TRIAXIAIS CÍCLICOS

Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia

Área de concentração: Engenharia de Transportes

Orientador: Profa^ Titular Liedi Légi Bariani Bernucci

São Paulo

2014

Aos meus pais, Afonso e Sandra pelo amor, carinho e dedicação dados a mim.

AGRADECIMENTOS

A Deus, por me dar força e coragem todos os dias.

Agradeço a todos aqueles que, de alguma forma, colaboraram com este trabalho ao longo destes dois anos, e em especial quero agradecer:

Aos meus pais, pelo amor e apoio incondicionais.

À minha querida orientadora-mãe Liedi, pela oportunidade dada e por ter acreditado em mim. Obrigado pelos valiosos ensinamentos, incentivo e ânimo em diversos momentos;

À amiga-professora Rosângela Motta, que muito contribuiu não somente para esta pesquisa, mas também para o meu aprendizado.

Ao professor Suzuki, pela serenidade de seus ensinamentos e pelas críticas e sugestões no exame de qualificação.

À professora Kamilla Vasconcelos, pelos diversos conselhos e pela amizade regada a muitas risadas ao longo de todo o mestrado.

Ao grande amigo Erasmo pela grande ajuda e diversos momentos de alegria durante os ensaios.

Ao Edson, pelo seu bom humor e carinho diários e pela ajuda no desenvolvimento desta dissertação.

À nossa secretária do LTP Diomária, aos técnicos do LTP, Cleiton, Kendi, Vanderlei e em especial ao Robson pela grande ajuda;

Aos colegas do LTP que têm sido grandes companheiros no dia-a-dia: Iuri, Serginho, Tiago, Igor, John, Claudio, Márcia, Kazuo, Edgar, Patricia, Matheus e Ghutier.

Ao meu irmão Daniel Pulliti que muito me incentivou e me escutou durante estes dois anos.

“O homem erudito é um descobridor de fatos que já existem, mas o homem sábio é um criador de valores que não existem e que ele faz existir”.

Albert Einstein

RESUMO

Este trabalho faz parte de uma pesquisa voltada ao estudo do comportamento mecânico do sistema ferroviário e tem foco principal no estudo experimental em laboratório que visa avaliar as características do lastro ferroviário em condições de carga variadas e determinar a influência dos principais parâmetros que afetam o comportamento da estrutura. O material utilizado em camada de lastro ferroviário é normalmente constituído de frações granulométricas graúdas o que dificulta a execução de testes de grande escala em laboratório, devido à robustez necessária do equipamento para representar a correta correspondência entre a amostra e o material de lastro. O principal objetivo deste trabalho foi avaliar a eficiência de um novo aparelho triaxial em larga escala (400mmx800mm), que permite ensaiar agregados graúdos como no campo sem a necessidade de escalonamento da curva granulométrica; analisar a aplicabilidade da técnica de graduação paralela em ensaios triaxiais utilizando equipamento cilíndrico de pequena escala (150mm x 300mm), no qual é mais fácil de manipular pequenas frações, assim como avaliar a influência de duas graduações diferentes sobre deterioração e deformação. Verificou-se que os materiais granulares revelam uma forte tendência de se compactar sob níveis elevados de estresse, causando um aumento significativo de rigidez. A graduação AREMA Nº 24 mostrou-se mais resistente à deformação e a deterioração quando comparada à AREMA Nº 3. O nível de tensões escolhido mostrou-se satisfatório para simular a via permanente sob carregamento, devido à deterioração dos agregados ao final do teste. Além disso, a degradação da amostra contaminada foi mais acentuada que aquela sem finos, demonstrando que o aumento no nível de colmatação implica em perda da durabilidade do lastro, acarretando em necessidade de mais ciclos de correção geométrica e diminuição de sua vida útil. Observou-se que combinação de finos e água no lastro afeta fortemente a resposta mecânica da via permanente, diminuindo sua rigidez e ocasionando instabilidade do sistema, devendo esta situação ser evitada. Os resultados também apontam que o aumento de carga por eixo contribui para uma degradação acelerada dos componentes da via, ocasionando a diminuição do período entre ciclos de manutenção. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão do comportamento mecânico da camada de lastro, e desta forma auxiliam no projeto de vias férreas mais eficientes.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Distribuição modal da matriz brasileira de transportes de cargas em 2011 (PNLT, 2012) ............................................................................................................. 20

Figura 2 - Evolução da extensão (km) das malhas rodoviária e ferroviária entre 1996 e 2011 (DNIT/ANTT/GEIPOT, 2011) ......................................................................... 21

Figura 3 - Custos de Logística em % do PIB (Guasch, 2002) ................................... 21

Figura 4 – (a) Seção típica de via ferroviária convencional e (b) seção de via sobre laje de concreto (Indraratna et al ., 2011) ................................................................... 30

Figura 5 – Estrutura ferroviária convencional e seus componentes (Selig e Waters,

1994. ......................................................................................................................... 31

Figura 6 - Representação da distribuição de tensões verticais entre os componentes (RailCorp, 2010) ........................................................................................................ 34

Figura 7 - Representação esquemática da via e seu modelo analítico (Bathrust e Kerr, 1995) ................................................................................................................ 36

Figura 8 – Medições das tensões de contato entre dormente e o lastro (Shenton,

1975. ......................................................................................................................... 38

Figura 9 – Simplificação da distribuição de tensões entre o dormente e o lastro (Jeffs e Tew, 1991).................................................................................................... 39

Figura 10 – Representação esquemática da distribuição das células de carga na via (Indraratna et al ., 2010) ............................................................................................. 39

Figura 11 – Tensões verticais e horizontais máximas medidas para: (a) trem de passageiros com 82 t; (b) trem de carga com vagões de 100 t (Indraratna et al ., 2010a) ....................................................................................................................... 40

Figura 12 – Tensões verticais máximas cíclicas transmitidas ao lastro pela passagem de vagões de 100 t (Indraratna et al ., 2010a)............................................................ 41

Figura 13 – Tensões horizontais medidas em ensaios de box tests (Selig e Waters,

1994. ......................................................................................................................... 42

Figura 14 - Distribuições granulométricas - ABNT NBR 5564 ................................... 45

Figura 15 - Distribuições granulométricas - AREMA (2009) ...................................... 46

Figura 16 - Distribuições granulométricas – (a) AS 2758.7; (b) RIC e Queensland Rail (Indraratna et al ., 2011) ............................................................................................. 46

Figura 17 - Distribuições granulométricas (a) EN 13450 (2002); (b) British Railways; SNCF (Profillidis, 2006) ............................................................................................. 47

Figura 18 – Deformações de materiais granulares durante um ciclo de aplicação de carga (Lekarp et al ., 2000) ........................................................................................ 49

Figura 19 – Representação da curva tensão/deformação de um ensaio triaxial drenado de carga cíclica com material de lastro (Selig e Waters, 1994) ................... 51

Figura 20 – Quatro tipos do comportamento elasto-plástico de materiais granulares submetidos à carga cíclica (Johnson, 1986) ............................................................. 52

Figura 21 – Detalhes da instalação de LVDT para medidas de deflexão (Anderson e Rose, 2008) .......................................................................................... 54

Figura 22 – Medidas de deflexão por LVDT realizada em trecho experimental nos EUA (Anderson e Rose, 2008) .................................................................................. 54

Figura 23 - Componentes de equipamento de ensaio triaxial e estado de tensão assimétrico em um teste convencional (Suiker et al ., 2005)...................................... 55

Figura 24 - Exemplos de ensaios triaxiais em grande escala com confinamento aplicado por vácuo (a) Nalsund, 2010; (b) Sevi, 2009 ............................................... 58

Figura 25 – (a) Distribuições granulométricas usadas em testes triaxiais cíclicos; (b) deformação axial e volumétrica obtida em testes triaxiais cíclicos (Indraratna et al .,

2004. ......................................................................................................................... 61

Figura 40 - Homogeneização e quarteamento do material ....................................... 82

Figura 41 - Curva granulométrica dos agregados coletados no pátio da Vale .......... 83

Figura 42 - (a) Resultado do ensaio de forma dos agregados pela norma ABNT (b) Resultado do ensaio pela norma ASTM............................................................... 84

Figura 43 – Segunda amostragem de agregados (a) Resultado do ensaio de forma pela norma ABNT (b) Resultado do ensaio pela norma ASTM ................................. 86

Figura 44 - Etapas de preparação do corpo de prova de grande escala ................... 92

Figura 45 – Preparação da amostra decalada .......................................................... 92

Figura 46 – Adição de contaminação na amostra (a) escala real; (b) escala reduzida .................................................................................................................................. 93

Figura 47 – Resultados dos ensaios cíclicos para amostras GE I X PE I (a) Módulo de resiliência (b) Deformação permanente ............................................................... 95

Figura 49 – Resultados dos ensaios cíclicos para amostras contaminadas GE III X PE III (a) Módulo de resiliência (b) Deformação permanente .................................... 97

Figura 50 – Distribuições granulométricas das amostras GE I X PE I (a) escala real; (b) escala reduzida .................................................................................................. 100

Figura 51 – Distribuições granulométricas das amostras GE II X PE II (a) escala real; (b) escala reduzida .................................................................................................. 100

Figura 52 – Distribuições granulométricas das amostras contaminadas GE III X PE III (a) escala real; (b) escala reduzida ......................................................................... 100

Figura 53 - Agregados deteriorados após os ensaios mecânicos GE I e GE II ....... 101

Figura 54 – Detalhe das amostras durante a ciclagem GE I (esquerda) e GE II (direita) .................................................................................................................... 102

Figura 55 – Resultado dos ensaios GE I e GE III (a) módulo de resiliência (b) deformação permanente ......................................................................................... 104

Figura 56 - Resultado dos ensaios PE I, PE III e PE IV (a) módulo de resiliência (b) deformação permanente ......................................................................................... 106

Figura 57 – Distribuições granulométricas das amostras GE I e GE III (a) escala real sem contaminação; (b) escala real contaminada .................................................... 108

Figura 58 – Distribuições granulométricas das amostras em pequena escala (a) sem contaminação (PE I); (b) contaminada sem umidade (PE III); (c) contaminada úmida (PE IV) antes e após o ensaio ................................................................................. 108

Figura 59 – Resultado dos ensaios GE I (AREMA 24) e GE II (AREMA 3) (a) módulo de resiliência (b) deformação permanente axial ...................................................... 111

Figura 60 – Resultado dos ensaios PE I (AREMA 24) e PE II (AREMA 3) (a) módulo de resiliência (b) deformação permanente axial ...................................................... 112

Figura 61 - Resultado dos ensaios PE V (AREMA 24) e PE VII (AREMA 3) de módulo de resiliência (a) escala linear (b) escala logarítmica ................................. 114

Figura 62 – Resultado de deformação permanente axial dos ensaios PE V (AREMA

24. e PE VII (AREMA 3) (a) escala linear (b) escala logaritmica............................. 114

Figura 63 – Resultado dos ensaios PE VI (AREMA 24) e PE VIII (AREMA 3) de módulo de resiliência (a) escala linear (b) escala logarítmica ................................. 116

Figura 64 – Resultado de deformação permanente axial dos ensaios PE VI (AREMA

24. e PE VIII (AREMA 3) (a) escala linear (b) escala logarítmica ........................... 116

Figura 65 – Resultado dos ensaios PE IX (AREMA 24) e PE X (AREMA 3) (a) módulo de resiliência (b) deformação permanente axial ......................................... 118

Figura 66 – Distribuições granulométricas das amostras GE I e GE II .................... 119

Figura 67 – Distribuições granulométricas das amostras PE I e PE II .................... 120

Figura 68 – Distribuições granulométricas das amostras PE V e PE VII ................. 120

Figura 69 - Distribuições granulométricas das amostras PE VI e PE VIII ............... 120

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Limite de aceitabilidade para diversas propriedades do lastro – AREMA (para granito) e ABNT................................................................................. 48

Tabela 2 - Locais onde foram realizados ensaios triaxiais de grande escala em estudos de lastro ....................................................................................................... 57

Tabela 3 – Valores limites de defeitos para intervenção e manutenção de ferrovias de alguns países (Profillidis, 2006)............................................................................ 69

Tabela 4 - Valores de emergência para defeitos de acordo com a velocidade máxima permitida (Profillidis, 2006). ....................................................................................... 69

Tabela 5 - Valores aceitáveis para defeitos, após execução de manutenção (Profillidis, 2006)........................................................................................................ 69

Tabela 6 – Detalhes de cada condição avaliada ....................................................... 73

Tabela 7- Valores de referência adotados para o cálculo das tensões atuantes ...... 78

Tabela 8 – Resultado do ensaio de Abrasão Los Angeles e limites máximos por norma ........................................................................................................................ 89

Tabela 9 – Resumo dos resultados obtidos nos ensaios de caracterização ............. 90

Tabela 10 – Detalhe dos corpos de prova ................................................................ 94

Tabela 11 – Detalhes dos ensaios para análise da contaminação.......................... 103

Tabela 12 – Detalhes dos ensaios para o estudo da granulometria ........................ 110

Tabela 13 – Detalhes dos ensaios para o estudo da influência do carregamento .. 122

Tabela 14 – Combinações de tensões aplicadas no ensaio de módulo de resiliência ................................................................................................................................ 129

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas

AREMA - American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association

ASTM - American Society for Testing and Materials

EFVM - Estrada de Ferro Vitória Minas

EPUSP - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

FID - Fator de incremento dinâmico

FRA - Federal Railroad Administration

GE - Grande escala

LTP - Laboratório de Tecnologia de Pavimentação

LVDT - linear variable differential transformer

MR - módulo de resiliência

MTS - Material Test System

PE - Pequena escala

PIL - Programa de Investimento em Logística

PNLT - Plano Nacional de Logística e Transporte

RIC - Rail Infrastructure Corporation

SNCF - Société Nationale des Chemins de fer Français

SPNT-MT - Secretaria de Política Nacional de Transportes do Ministério dos Transportes

TKUs - toneladas-quilômetro-úteis

UIC - International Union of Railways

• 1. INTRODUÇÃO
• 1.1 IMPORTÂNCIA DO TEMA
• 1.2 OBJETIVOS E METAS
• 1.3 ESCOPO DA PESQUISA
• 1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
• 2. SISTEMA FERROVIÁRIO
• ESFORÇOS 2.1 VIA CONVENCIONAL E MECANISMO DE TRANSFERÊNCIA DE
• 2.1.1 Estrutura
• 2.1.2 Forças atuantes
• 2.1.3 Transmissão de tensões
• 2.2 LASTRO
• 2.2.1 Propriedades e especificações......................................................................
• 2.2.2 Comportamento Mecânico
  • 2.2.2.1 Comportamento Resiliente
  • 2.2.2.2 Deformação Permanente
  • 2.2.2.3 Avaliação do comportamento mecânico em campo e laboratório
  • 2.2.2.4 Elementos que afetam o comportamento mecânico
• 2.2.3 Vida útil e manutenção
• 3. PROGRAMA DE ENSAIOS
• 3.1 MATERIAIS ANALISADOS
• 3.2 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA
• 3.3 ANÁLISE DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS
• 3.3.1 Ensaios Triaxiais.............................................................................................
  • 3.3.1.1 Triaxial de verdadeira grandeza – LTP
  • 3.3.1.2 Triaxial em escala reduzida
• 3.4 RESULTADOS
• 3.4.1 Caracterização física
• 3.4.2 Ensaios triaxiais..............................................................................................
  • 3.4.2.1 Análise da decalagem
  • 3.4.2.2 Efeito da contaminação
  • 3.4.2.3 Estudo da granulometria
  • 3.4.2.4 Influência do carregamento
• 4. CONCLUSÕES
• REFERÊNCIAS

1. INTRODUÇÃO

A distribuição modal de transportes de carga no Brasil atual pode ser observada na Figura 1, sendo os percentuais de participação de cada modo estimados em função das quantidades de toneladas-quilômetro-úteis (TKUs), resultantes das simulações do Plano Nacional de Logística e Transporte (PNLT) para o ano de 2012. Evidentemente, os percentuais obtidos (especialmente no caso dos modais menos representativos) podem diferir de valores extraídos de outras fontes, considerando as premissas adotadas e os métodos utilizados.

Figura 1 - Distribuição modal da matriz brasileira de transportes de cargas em 2011 (PNLT, 2012) Durante décadas, o modo rodoviário recebeu ênfase e tornou-se fundamental na integração do país a partir de 1950, com a instalação da indústria automobilística e início das obras rodoviárias. A Figura 2 retrata a evolução da malha rodoviária em comparação às ferrovias nos últimos 15 anos. A diferença de investimentos entre os modais, dentre outros motivos, deu-se devido à possibilidade em realizar investimentos gradativos na malha rodoviária e ao mesmo tempo utilizá-la, ao contrário do modo ferroviário, que depende de uma grande soma de capital para realizar o início de suas operações. Tinha-se, assim, o modo rodoviário enquanto sistema de engenharia, ideal para realizar coesão espacial, pois além de possuir um traçado menos rígido, despendia menor volume inicial de investimento (SOUZA, 2009). Porém, nas décadas a partir dos anos 50, observou-se a falta de investimentos nos outros modais, principalmente no ferroviário, sobretudo devido ao aumento da produção nacional que, em geral, foi descentralizada, localizada em áreas de expansão de fronteira agrícola. Tais regiões apresentam uma baixa concentração de infraestrutura adequada para escoar a produção, tornando-se