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Aspetos do comportamento da via-férrea em zonas com singularidades e defeitos de geometria

Superestrutura de via


Eduardo Fortunato ([email protected])

André Paixão ([email protected])

Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC)



AGENDA

2 – Influência do deficiente apoio das travessas no comportamento da via-férrea

4 – Avaliação do comportamento de zonas com singularidades

3 – Desempenho estrutural em zonas de transição e com defeitos de geometria

1 – Introdução



1 – INTRODUÇÃO

Qualidade geométrica da via

• fundamental no âmbito da avaliação do desempenho da via, porque a sua degradação:

• desvios de parâmetros geométricos em relação ao valor médio ou ao valor de projeto

provoca amplificações dinâmicas das cargas do material circulante, promovendo a degradação da via e dos veículos

induz maior esforço de manutenção (custos e interdições de via)

resulta em menor qualidade do serviço (afrouxamentos, supressão de comboios e menor conforto dos passageiros)

pode afetar a segurança da operação ferroviária

• diminui com a passagem do tráfego e ao longo do tempo



Varáveis que influenciam a qualidade geométrica da via



Singularidades que influenciam a qualidade geométrica e o desempenho da via-férrea

Superestrutura

aparelhos de mudança de via aparelhos de dilatação do carril soldadura de carril danos nos elementos da via

You et al., 2017, adaptado

Subestrutura variação de rigidez dos materiais em zonas de transição

oescavação / aterro oaterro de solo / aterro de agregado / aterro de materiais tratados

variação de rigidez entre terraplenagens e obras de arte assentamentos diferenciais devido a deformações plásticas

Acréscimo de carga dinâmica

(Stark, 2014, adaptado)



•Análise de defeitos de geometria (D1: 3 m < λ 25 m; D2: 25 m < λ 70 m; D3: 70 m < λ 150 m)

•Análise de índices globais de qualidade geométrica (EN 13848-6, ……)

•Análise da resposta dinâmica em função das características da via e do veículo e da velocidade de circulação:

forças de interação veículo-via acelerações (verticais) na estrutura, nos eixos e nas carruagens forças de contacto entre as travessas e o balastro

EN 13848-5 (Geometria da via e níveis de qualidade geométrica admissíveis) IT.VIA.018 -Tolerâncias dos parâmetros geométricos da via (REFER) – Tolerâncias de Alerta, Intervenção, Ação Imediata

(ATSB, 2011, adaptado)

Avaliação da qualidade geométrica da via

(EN 13848-6)



2 – INFLUÊNCIA DO DEFICIENTE APOIO DAS TRAVESSAS NO COMPORTAMENTO DA VIA-FÉRREA •Objetivos:

x

10 m

57 m 220 km/h

estabelecimento de indicadores de desempenho úteis para o planeamento dos trabalhos de manutenção da via.

•Avaliação da influência da forma dos defeitos de nivelamento longitudinal no sistema via-veículo.

•Estudo paramétrico com análises dinâmicas não-lineares num modelo FEM calibrado e validado com medições em campo.

•Modelos 2D FEM (ANSYS) com elementos planos (est. plano de tensão) •Condições de fonteira visco-elásticas para minimizar reflexão de ondas •Consideração da interação veículo-via utilizando elementos de contacto

entre a roda e o carril (Penalty/Lagrange) •Método de resolução Newton-Raphson, devido às não linearidades do

problema •Método de integração das equações de equilíbrio dinâmico de

Newmark (integração implícita) dt = 0.001 s

desenvolvimento de métodos que permitam antecipar situações críticas na via-férrea e que permitam classificá-las quanto ao seu impacto sobre a estrutura e sobre a interação via-veículo.



Componente 𝑬𝒊 𝝂𝒊 𝜷𝒊 𝝆𝒊

MPa - s ×10-3 kg/m3

Travessas 30×103 0,25 - 6360*

Balastro 130 0,20 0,4 1530

Sub-balastro 200 0,30 0,4 1935

Coroamento 2820 0,30 2,6 1935

Fundação 80 0,30 2,9 2040

carris

palmilha

travessas

elementos de

contacto

travessa-balastro

sub - balastro

coroamento

fundação

balastro

0,3 m

0,3 m

0,2 m

0,6 m

Bogie

nth car body

Bogie

Parâmetro Valor Massa das carruagens, Mc 36901 kg

Rigidez da suspensão secundária, Ks 256,4 kN/m

Amortecimento da suspensão secundária, Cs 35 kN.s/m

Massa do bogie (sem eixos), Mb 4932 kg

Rigidez da suspensão primária, Kp 564 kN/m

Amortecimento da suspensão primária, Cp 18 kN.s/m

Massa do eixo, Ma 1800 kg

Rigidez Hertziana de contacto roda-carril, Kh 1,24106 kN/m

Alfa Pendular (220 km/h)

Modelação



Geração de perfis de assentamento e introdução no modelo numérico

𝑠(𝑥) =𝑘𝐴 × 308

7.5 𝜋𝑒−(𝑥−𝑥𝑑𝑖𝑝)

2/(𝑘𝐿×7.5)2

20304050607080

0

10

20

30S

ettl

emen

t (m

m)

Track length (m)

LLD1+D2

kL=1.00; k

L=1.00𝑘𝐴 = 𝑘𝐿 = 1.0

s(x)

Funções do tipo Delta de Dirac:

Amplitude do defeito de nivelamento longitudinal (assentamento): 1,2 a 22,0 mm Comprimento do defeito de nivelamento longitudinal: 1,75 a 33,3 m

10 15 20 25 30 35 40 45 0

5

10

15

20

25

Comprimento do defeito (m)

Assenta

mento

, s(

x) (

mm

)

100 perfis



Comprimento (m)

Asse

nta

me

nto

(m

m)

0 5 10 15 20 25 30 35 0

5

10

15

20

Valores máximos da força de contacto

travessa-balastro (kN)

vazios assentamento máx.

redistribuição de carga maiores forças de contacto

F = 0 kN Fmax < 5 kN Fmax > 100 kN

0

10

20

30

0

5

10

15

20

-20

-10

0

Deslo

cam

ento

(m

m)

Deslocamentos verticais máximos

do eixo

Análise de resultados

Análise de forças de contacto em travessas mal apoiadas



Comprimento (m)

Asse

nta

me

nto

(m

m)

0 5 10 15 20 25 30 35 0

5

10

15

20

Valores extremos das acelerações verticais das carruagens (m/s2)

Valores extremos do coeficiente dinâmico (Qdyn / Qsta): a) máximos; b) mínimos

Comprimento (m)

Asse

nta

me

nto

(m

m)

0 5 10 15 20 25 30 35 0

5

10

15

20

Asse

nta

me

nto

(m

m)

0

5

10

15

20

Comprimento (m)

Assenta

mento

(m

m)

0 5 10 15 20 25 30 350

5

10

15

20



0

20

0

10

20

0

50

100

Ace

lera

çã

o (

m/s

2 )

f < 80 Hz

0

20

0

10

20

-100

-50

0

Ace

lera

çã

o(m

/s 2

)

f < 80 Hz

Valores extremos de aceleração das travessas (f < 80 Hz): a) positivos; b) negativos



Estabelecimento de indicadores de desempenho

Rápido incremento da taxa de degradação da via

atravessa >10 m/s2

Comprimento do defeito de nivelamento longitudinal (m)

Ass

en

tam

en

to (

Am

plit

ud

e d

o d

efei

to)(

mm

)

0 5 10 15 20 25 30 35 0

5

10

15

20

Menor conforto dos passageiros

acar >1.0 m/s2 (EN 1990)

Maior risco de descarrilamento

offload factor < 0.6 (Xia et al., 2006)

(para Alfa Pendular, 220 km/h)

Conclusão….

coeficiente dinâmico



Varandas et al., 2017, adaptado)

EV2 medido durante a construção no topo do sub-balastro

3 – DESEMPENHO ESTRUTURAL EM ZONAS DE TRANSIÇÃO E COM DEFEITOS DE GEOMETRIA Transições aterro escavação e passagens inferiores “profundas”



Bogie do Alfa Pendular

Modelação Análise dinâmica 3D FEM – Pegasus

Modelo A - Com culvert Modelo B - Sem culvert



Forças calculadas

Deflexões calculadas

Análise de resultados



Tensões verticais no balastro e na fundação obtidas no Modelo A, quando o 1º eixo passa sobre a “culvert”

Culvert



2016-2014

Assentamentos medidos com equipamento de via durante a operação ferroviária

3 m < l < 70 m



2016-2014

Assentamentos medidos durante a operação

O Modelo C é idêntico ao Modelo A mas considera as

irregularidades do nivelamento longitudinal



Resposta distinta em função do sentido de circulação

Conclusão….



Sines

Grândola km 94

Pinheiro Station

Alcácer do Sal

Setúbal

LISBON

Faro

Évora Via balastrada de 29 km (220 km/h; 25 t/eixo)

Sub-balastro (granito): >30 cm

Coroamento (calcário): >20 cm

aterro (solos) 95% OPM

97% OPM

98% OPM

E V2 120 MPa

E V2 80 MPa

E V2 60 MPa

Balastro (granito): > 30 cm

Travessa monobloco

carril UIC60

Super

stru

tura

S

ub

stru

tura

Terreno natural

Sub - balastro Coroamento

aterro (solos)

Balastro 1,668 m

4% 4 %

9,0 m

1 2

2 3

1,5 m 3, 8 m

4 – AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE ZONAS COM SINGULARIDADES



1 2 3

5 64

3 m 17 m

carril travessa

Bloco Técnico tipo 1 (BT1)

556

travessacarril1.2 m 1.2 m


• variação gradual de rigidez em transições - entre as terraplenagens e as obras de arte e nas passagens sobre estruturas enterradas

• redução de assentamentos diferenciais

Aterros de transição

Objetivos



Er=119.5θ 0.34

Er=23.1θ 0.54

Er=7.43θ 0.57

0

400

800

1200

1600

2000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Er

(MP

a)

q = 3 p (kPa)

G96.3;-3.7

G99.6;-1.5

G92.1;-1.2

a)

Caracterização laboratorial de geomateriais

Ensaios triaxiais de carga cíclica com variação da pressão de confinamento (Método A, HSL da EN 13286-7) • Estudo do comportamento de deformação resiliente • Estudo do comportamento de deformação permanente

Sub-balastro

Provetes 200 x 400 mm

0

5000

10000

15000

20000

25000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Er

(MP

a)

q (kPa)

L1;100;-1.7

L1;101.2;-0.7

L3;96.2;-1.3

L3;96.7;-1.5

L3;99.3;-1.3

L5;98.6;-1.9

L5;104.8;-1.8

ML1

ML3

ML5

MAC

Teor em cimento = 1, 3 e 5%

Classificação dos materiais granulares (EN 13286-7): Classe C1

Er=62.4θ 0.48 Er=12.3θ 0.64

Er=12.1θ 0.66

Er=44.8θ 0.45

Er=7.28θ 0.66

Er=273.26θ 0.3991

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Er

(MP

a)

q = 3 p (kPa)

L101.7;-3.3

L95.6;-1.9

L96.5;-1

L100.2;-0.7

L99.4;-0.4

L95.6;-4.1

b)

ABGE e Coroamento

Ensaios convencionais



(MP

a)

350

0

300

250

200

150

100

50PS PI;BT1 Viaduto;BT1

4 km 5 km4.5 km3.5 km

PH;BT2

©2014 Google

•Módulo de deformabilidade no sub-balastro (EV2) - 174 PLT => 120 <EV2< 250 MPa (média de 205 MPa)

0 100 200 300 400 5000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

EV2, Portancemètre (MPa)

Dis

trib

uiç

ão a

cu

mu

lad

aMin.

2008-11-05

2010-03-20

w=3,7%

w=4,7%

•Diminuição do EV2 com aumento de ѡ

•Variação espacial de EV2 em função das singularidades (ex: blocos técnicos em obras de arte e em estruturas enterradas)



•Distribuição acumulada do valor médio do desvio padrão (2 carris), relativo aos defeitos de nivelamento longitudinal (𝑆𝐷𝐿𝐿,𝐷1)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

0.2

0.4

0.6

0.8

1

SDLL (mm)

Dis

trib

uiç

ão a

cu

mu

lad

a

Limite de Alerta

EDCBA

Classes de qualidade de viaEN 13848-6

Avaliação dos parâmetros geométricos da via-férrea em operação

•Comprimento de onda entre 3 e 25m (D1) para distâncias de 200m, e classes de qualidade de via para velocidades até 220km/h.

28 meses depois da entrada em serviço

Entrada em serviço



-40

-30

-20

-10

0

10

0

100

200

300

400

10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000 18000 19000 20000

Ponte sobre o Sado

Areia de duna

0

2

4

(MP

a)

Var

iaçã

o d

e co

ta (

m)

(mm

)

-40

-30

-20

-10

0

10

0

100

200

300

400

20000 21000 22000 23000 24000 25000 26000 27000 28000 29000 30000

EV2 (Mpa) Aterro (m) Escavação (m) Terreno Natural BT1 BT2 PH/PF AD Início de aterro ou escavação

0

2

4

(MP

a)

Desenvolvimento da linha (m)

Var

iaçã

o d

e co

ta (

m)

(mm

)

Valores de EV2 medidos sobre o sub-balastro durante a construção e valores de 𝑆𝐷𝐿𝐿,𝐷1medidos durante a operação.

• Valores mais elevados de SDLL,D1 :

locais onde existem aparelhos de dilatação (sobre as obras de arte)

em muitas das situações de início de aterro ou escavação (transições)

em diversos locais onde foram instaladas passagens hidráulicas, passagens de fauna e blocos técnicos

em zonas de variação rápida de EV2

-40

-30

-20

-10

0

10

0

100

200

300

400

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Ponte sobre o SadoViaduto

Reforço:

coroamento com 35-50 cm

+saneamento de 50 cm

0

2

4

(MP

a)

Var

iaçã

o d

e co

ta (

m)

(mm

)

- Desvio padrão do nivelamento longitudinal D1 ( ), calculado para extensões de 10 m



1 2 3

5 64

3 m 17 m

carril travessa


556

travessacarril1.2 m 1.2 m


• 𝑆𝐷𝐿𝐿,𝐷1 de BT1 e de BT2 concentram-se na parte superior das curvas, sendo mais notório na análise para distâncias de 75m

• Nos casos de BT1 os pontos representados sobre a curva da segunda campanha sobem ainda para uma posição mais elevada => defeitos localizados nos BT1 ganham relevância no tempo

Programação mais eficiente das intervenções de manutenção e uma melhor gestão de ativos

Proposta: Análise dos parâmetros de modo a individualizar as singularidades

Cálculo de 𝑆𝐷𝐿𝐿,𝐷1 para distâncias mais curtas

Representação das zonas com singularidades nas curvas e distribuição acumulada do 𝑆𝐷𝐿𝐿,𝐷1 em duas campanhas distintas t=0 t=28 meses



Não descobrimos ainda o anel de Giges ….mas

Considerações finais

• Apesar da existência de blocos técnicos com o objetivo de promover a transição gradual de rigidez e evitar assentamentos diferenciais entre estruturas distintas, não tem sido ainda possível eliminar zonas com taxa de degradação mais elevada.

• Os assentamentos diferenciais conduzem a situações críticas em termos de degradação da via (devido a cargas excessivas), de requisitos de segurança (limites de “descarga” e perda de contacto eixo-carril) e de conforto dos passageiros (devido à amplificação de acelerações que ocorrem no interior das carruagens).

• É possível proceder à análise dos efeitos da variação da qualidade geométrica da via considerando a resposta dinâmica em função das características da via e do veículo e da velocidade de circulação.

• A variação da rigidez da subestrutura, entre valores normais, não induz efeitos dinâmicos significativos na via-férrea, quando a circulação se faz a velocidades até 220 km/h.



Projeto de I&D&I conjunto “Avaliação do comportamento de zonas de transição na via-férrea da Variante de Alcácer” desenvolvido pelo LNEC e pela FEUP, com o apoio da anterior REFER, E.P.E, atual IP - Infraestruturas de Portugal, S.A.

Apoio da Fundação para a Ciência e a Tecnologia, através da bolsa de doutoramento: ref. SFRH/BD/75821/2011

Parte deste estudo foi desenvolvido no âmbito da atividade do Grupo de Trabalho 4 – “Subestrutura da via-férrea, incluindo zonas de transição” - da Comissão Portuguesa de Geotecnia nos Transportes (CPGT) da Sociedade Portuguesa de Geotecnia (SPG).

Obrigado pela vossa atenção !

Agradecimentos

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