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MINISTÉRIO DA DEFESA
EXÉRCITO BRASILEIRO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM TRANSPORTE
FERROVIÁRIO DE CARGA
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
ACADEMIA MRS
EDUARDO TEIXEIRA FONSECA E SILVA
ANÁLISE DA EVOLUÇÃO DOS DEFEITOS DE BITOLA NA
VIA PERMANENTE DA MRS PARA PLANEJAMENTO DE
INTERVENÇÕES PREDITIVAS DE MANUTENÇÃO
Rio de Janeiro
2006
2
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
EDUARDO TEIXEIRA FONSECA E SILVA
ANÁLISE DA EVOLUÇÃO DOS DEFEITOS DE BITOLA NA VIA
PERMANENTE DA MRS PARA PLANEJAMENTO DE
INTERVENÇÕES PREDITIVAS DE MANUTENÇÃO
Monografia apresentada ao Curso de Especialização em Transporte Ferroviário de Carga do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Especialista em Transporte Ferroviário de Carga.
Orientador: Prof. Carlos Alceu Rodrigues – D.Sc.
Tutor: Engº Alexandre Jacob Alves - M. Sc.
Rio de Janeiro
2006
3
À minha família.
À Mariana.
4
Agradecimentos
Agradeço a todos que de uma forma direta ou indireta, colaboraram para que eu
pudesse ampliar meus conhecimentos.
Ao meu Tutor Alexandre Jacob, brilhante em sua função de me guiar com
energia e atenção na condução do trabalho.
Meu Orientador Carlos Alceu, pelas sugestões de melhorias no trabalho e por
aceitar o desafio de assumir a orientação na reta final do trabalho. Muito Obrigado!
Ao Instituto Militar de Engenharia (IME), MRS Logística S.A. e Centro de
Estudos e Pesquisas Ferroviárias (CEPEFER) pela iniciativa e pela oportunidade
dada de crescimento profissional.
Professora Maria Cristina Sinay, pela atenção e sugestão de abordagem.
Ao Amauri, supervisor de Via do Núcleo de Belo Vale e toda sua equipe, em
especial Luiz Carlos e Gleison pela disponibilidade e presteza.
Vanea Nogueira, eterna conselheira.
Aos colegas Alexandre Leonardo e Leonardo Soares pelas consultorias
precisas.
Luiz Cláudio Parijós pela atenção e disponibilidade do instrumento de pesquisa
e João Bosco de Lima, meu “tutor honorário” pelas orientações técnicas.
Leopoldo Lobo e José Dias, pelos dados de TKB fornecidos, informação
fundamental para a realização deste trabalho.
Aos colegas da gerência de manutenção de vagões de São Paulo, por
entenderem a necessidade de minha ausência para a conclusão do curso.
Aos amigos do curso pela amizade e companheirismo.
A Deus, pela luz, pela vida!
5
Resumo
A proposta da manutenção preditiva da Via Permanente neste trabalho vem
confrontar as teorias empíricas que levam em consideração o fator tempo como a
principal referência para a degradação da Via. Baseado em um banco de dados
formado pelo equipamento Trolley de medição de parâmetros da superestrutura,
busca-se uma estimativa do momento (condição) em que ocorrerá a falha. O que é
proposto aqui é uma abordagem da taxa de evolução da abertura de bitola
relacionada à tonelagem bruta circulante na superestrutura, dado que este é o
principal agente mensurável da degradação da Via. Sabe-se que as intempéries
ambientais e a qualidade dos materiais empregados na superestrutura influenciam
significativamente nos parâmetros analisados, porém foge do escopo desta
pesquisa este tipo de análise. Para efeito de definição do comportamento dos
parâmetros, será considerada a via como homogênea, isto é, com os dormentes,
tirefonds e placas de fixação nos mesmos estados de conservação.
6
Sumário
LISTA DE ILUSTRAÇÕES 08
LISTA DE TABELAS 09
1 – INTRODUÇÃO 10
1.1 – Considerações Gerais 10
1.2 – Justificativa 10
1.3 – Objetivo 11
1.4 – Organização do Trabalho 12
2 – GEOMETRIA DE VIA PERMANENTE 14
2.1 – Bitola 14
2.2 – Parâmetros derivados das aplicações de cargas Laterais e Verticais15
2.3 – Nivelamento da Via 16
2.4 – Alinhamento da Via 17
3 – DEFEITOS NOS PARÂMETROS GEOMÉTRICOS 19
3.1 – Defeito de Alinhamento 20
3.2 – Defeito de Nivelamento 20
3.2.1- Defeito de Nivelamento Longitudinal 21
3.2.2 – Defeito de Nivelamento Transversal 22
3.3 – Defeito de Bitola 22
3.3.1- Alargamento de Bitola (Wide Gauge) 23
3.3.2 – Estreitamento de Bitola (Narrow Gauge) 24
3.4 – Empeno e Torção 24
3.4.1 – Torção 25
3.4.1 – Empeno (Warp) 26
3.5 – Tolerâncias dos Parâmetros de Geometria da Via 26
4 – MANUTENÇÃO DA SUPERESTRUTURA FERROVIÁRIA 30
4.1 Tipos de Manutenção da Superestrutura 30
4.1.1 – Manutenção Corretiva 31
4.1.2 – Manutenção Preventiva 31
7
4.1.3 – Manutenção Preditiva 34
5 – ROTEIRO METODOLÓGICO 37
5.1 – Considerações sobre a seleção do melhor serviço 42
6 – ESTUDO DE CASO 45
6.1 - Definição do Método de Monitoramento 45
6.2 – Seleção do trecho a ser Estudado 47
6.3 – Formação do Banco de Dados 52
6.4 – Seleção dos índices e seus métodos de cálculo 54
6.5– Cálculos para estimativa das retas e seleção do índice mais
adequado. 55
6.6 – Estabelecimento do Ponto Preditivo 56
7- CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES 58
8 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 60
ANEXOS
ANEXO I: Elementos geométricos da superestrutura ferroviária 61
ANEXO II: Medição em campo (31/03/2006)
ANEXO III: Medição em campo (14/04/2006)
ANEXO IV: Medição em campo (28/04/2006)
ANEXO V Medição em campo (17/05/2006)
ANEXO VI: Medição em campo (02/06/2006)
8
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIGURA 2.1: Bitola larga 14
FIGURA 2.2: Variação da Bitola (∆g) 16
FIGURA 3.1: Defeito de Alinhamento em tangente 20
FIGURA 3.2: Linha Desnivelada longitudinalmente 21
FIGURA 3.3: Desnivelamento Transversal em tangente 22
FIGURA 3.4: Alargamento de bitola 23
FIGURA 3.5: Estreitamento de Bitola 24
FIGURA 3.7: Torção 25
FIGURA 3.8 : Cálculo do empeno 26
FIGURA 5.1 : Roteiro Metodológico 38
FIGURA 5.2: Desgaste Horizontal do boleto 43
FIGURA 5.3: Desgaste Horizontal do boleto em um trilho já invertido 42
FIGURA 6.1: Data Logging Trolley 45
FIGURA 6.2: Posição do sensor eletromecânico do Trolley 46
FIGURA 6.3: Display de LCD do Trolley (Fonte: Manual Abtus) 47
FIGURA 6.4: Mapa da MRS Logística: (a) geral; (b) trecho Estudado 48
FIGURA 6.5: Gráfico de inspeção do TrackSTAR no trecho selecionado 50
FIGURA 5.7: Curva 1 51
FIGURA 5.8: Curva 2 51
FIGURA 5.9: Plotagem dos dados coletados - Curva “1” 53
FIGURA 5.10: Plotagem dos dados coletados - Curva “2” 53
9
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1: Limites de Tolerância do TrackSTAR 28
Tabela 6.1: Cronograma de medições e Tonelagem Bruta Circulante 52
Tabela 6.2: Comportamento dos índices - (Curva”1”) 55
Tabela 6.3: Comportamento dos índices - (Curva”2”) 54
Tabela 6.4: Equações estimadas para os índices de Curva 1 55
Tabela 6.5: Equações estimadas para os índices de Curva 2 55
Tabela 6.6: Projeções da carga acumulada em MTBT para os
pontos da Curva 1 56
Tabela 6.7: Projeções da carga acumulada em MTBT para os
pontos da Curva 2 57
10
1 - INTRODUÇÃO
1.1 – Considerações Gerais
No momento em que o iminente aumento da circulação de trens na malha da
MRS se concretiza concernindo às projeções do volume de carga de seus clientes,
a atividade de manutenção se torna função estratégica fundamental à Companhia.
A gestão dos ativos da empresa deve disponibilizar seus materiais rodantes, via
permanente (VP) e sinalização com confiabilidades cada vez mais altas e focar em
um efetivo tratamento das falhas.
No caso específico da via permanente, a manutenção impacta diretamente no
fator segurança, proporcionando a redução de acidentes, além do conseqüente
aumento da produtividade, já que uma VP em bom estado possibilita um aumento
da velocidade de circulação dos trens e a conservação do material rodante
circulante por sua superestrutura.
Esta condição transformou a atividade de manutenção da via permanente em
um fator crítico de sucesso, no momento em que os custos de manutenção cada
vez mais altos impactam significativamente na despesa total e consequentemente
na capacidade de se manter padrões de qualidade satisfatórios.
1.2 – Justificativa
O aumento da produção gera uma maior necessidade de manutenção, situação
que conflita com a dificuldade de intervalos de circulação para as intervenções. Por
isso, esta ação deve ser precisa e antes do momento da falha na superestrutura, de
11
modo a maximizar seu uso e adequar a manutenção da VP ao os intervalos cedidos
para tal.
Atualmente na MRS, a manutenção da Via Permanente é predominantemente
corretiva, com atuação nos ajustes dos componentes da superestrutura ferroviária a
partir do relatório de falhas gerado pelo veículo de avaliação de via Track STAR que
indica pontos ou trechos que devem sofrer a intervenção. Esta prática, apesar de
baseada em relatórios do Veículo, é por muitas vezes empírica, o carro é utilizado
sob a ótica de controle do estado da geometria da linha e não o de monitoração e,
desta forma, vem sendo utilizado como um detector de defeitos.
Não existe atualmente um acompanhamento sistemático da evolução da
degradação da geometria da via, o que poderia propiciar uma base sólida de dados
para a implantação de um modelo preditivo de manutenção da superestrutura
ferroviária, reduzindo, consequentemente, os custos de manutenção.
1.3 – Objetivo
A proposta deste trabalho é de um estudo exploratório, em trecho específico da
via da MRS Logística S.A., no qual se buscará identificar um parâmetro ou índice
que possibilite definir a curva de degradação da via e permitir a implantação de uma
abordagem preditiva de manutenção a partir da estimação do no momento certo
para intervenção, nem tão precipitado (melhor adequação dos recursos de
manutenção/redução de custos de manutenção), nem tão atrasado (o que pode
ocasionar defeitos ou acidentes prejudiciais para toda a produção). Este momento
será estimado por uma curva de tendência que irá retratar a degradação da
geometria da Via versus seu nível de utilização, estimado a partir da variável
explicativa Milhões de Toneladas Brutas Transportadas - MTBT.
Como objetos de estudo empíricos do trabalho, foram selecionadas duas
curvas, entre os km 525+000 e 526+000, no Ramal do Paraopeba, município de
12
Belo Vale, Minas Gerais. O referido trecho foi estrategicamente definido, haja vista
que a evolução dos defeitos seria mais bem percebida em função da elevada
solicitação a que esta submetida a VP tanto no que diz respeito a intensidade do
tráfego como o elevado peso dos veículos, já que neste trecho circulam trens
carregados e a carregar. Além disto, o perfil da linha, em curva, poderá indicar
níveis de desgaste maior que em tangente.
1.2 – Organização do trabalho
Além desta introdução, o trabalho é composto por mais cinco capítulos, assim
relacionados.
O Capítulo 2 trata da conceituação dos elementos da Geometria da Via
Permanente, tais como: bitola; GWR; alinhamento e nivelamento, a partir de uma
revisão bibliográfica.
O Capítulo 3, da mesma forma, apresenta as formas de degradação da Via
Permanente, relacionadas com os desvios dos parâmetros geométricos definidos no
capítulo anterior. Ele apresenta, ainda, os limites de tolerância desses parâmetros.
O quarto capítulo mostra e discute os processos de manutenção da Via
Permanente, focado na abordagem preditiva, enquanto o capítulo 5 apresenta o
roteiro metodológico proposto para a consecução do objetivo proposto.
No sexto Capítulo, os dados obtidos das inspeções quinzenais no campo são
analisados conforme proposta do roteiro metodológico de modo a obter a
modelagem matemática da formação/evolução dos defeitos de bitola no trecho
estudado.
O capítulo 7 propõe a adequação do estudo para o restante da malha da MRS,
através de um novo sistema de gerenciamento da manutenção, e um
13
monitoramento pelos relatórios do TrackSTAR. Aqui são também apresentadas as
conclusões e recomendações do estudo.
O Apêndice I complementa a revisão bibliográfica do Capítulo 2, com foco
essencialmente nos parâmetros de curvatura, rampa e superelevação.
Nos Anexos 2 a 6 do trabalho são apresentados os dados coletados nas cinco
inspeções de campo na forma em que o instrumento de medição exporta para o
software MSExcell.
14
2 – GEOMETRIA DE VIA PERMANENTE
O monitoramento dos parâmetros da geometria da via exige, antes de tudo, que
se conheça a realidade do trecho estudado com todas suas peculiaridades. A partir
daí, pode-se executar uma análise mais adequada da qualidade dos componentes
da superestrutura e da própria condição dos parâmetros geométricos.
De modo geral, a qualidade da via é definida por um conjunto de parâmetros
cujos valores limites estão relacionados à um valor de tolerância definido de acordo
com as característica geométricas do trecho em questão de modo a garantir a
qualidade da circulação, um melhor planejamento da manutenção, o diagnostico do
nível de degradação da via e o dimensionamento dos serviços de correção
geométrica dos trechos mais críticos.
Os elementos que compõem a geometria da via são as tangentes, curvas
circulares, curvas de transição, super-largura, bitola, superelevação e rampa de
superelevação. Por não serem objeto direto deste trabalho, a exceção do elemento
bitola, todas as demais conceituações e formas de dimensionamentos serão
tratadas no Anexo I.
2.1 – Bitola
Para LIMA (1998), a bitola da via é o parâmetro de maior importância na
definição das características geométricas da via, exatamente por definir a base do
rolamento dos veículos da uma ferrovia. É em função da distância entre os dois
trilhos da via permanente que se dimensiona o tamanho dos dormentes, quantidade
de lastro e a bitola entre as rodas do material rodante. O parâmetro bitola pode ser
analisado sob dois aspectos: Bitola Carregada e Bitola Descarregada.
15
O valor da bitola descarregada é medido de 14 a 16 mm abaixo do topo do
boleto do trilho e tem como função primordial servir de guia para o material rodante
que trafega na superfície de rodagem da via.
No Brasil a bitola preponderante é a métrica ou estreita, com 1.000 mm. A bitola
da MRS é chamada de larga, com 1.600 mm (Figura 2.1). Temos exemplos de
bitola larga na EFC (Estrada de Ferro Carajás) e em parte da FERROBAN. No
mundo, a bitola mais presente é a considerada standard, com 1.435 mm.
FIGURA 2.1: Bitola larga
Fonte: Rodrigues (2001)
Já a bitola carregada é medida por veículos de avaliação da via que, através de
equipamentos especiais que aplicam forças verticais e transversais à via de modo a
avaliar a resistência da linha simulando a passagem do trem.
2.2 – Parâmetros Derivados das Aplicações de cargas Laterais e Verticais
A tecnologia GRMS (Gauge Restraint Mesurement System), Sistema de Medição
de Resistência de Bitola possibilita a aplicação de forças Laterais (L) e Verticais (V)
pelo TEV (Track Evaluation Vehicle, ou Veículo de Avaliação da Via) TrackSTAR,
nos valores de 4.800 kg e 6.803 kg respectivamente. Esta medição possibilita a
análise de outros componentes fundamentais da via, principalmente na prospecção
de dormentes.
16
A diferença entre as medidas de bitola carregada e descarregada, mostrada na
Figura 2.2, em função da força lateral de 6.803 kg aplicada, fornece o valor do Delta
Gauge (∆g).
FIGURA 2.2: Variação da Bitola (∆g)
A estimativa da diferença entre o valor da bitola medida com e sem carga caso
fosse aplicada uma força lateral de 7.312 kg entre os trilhos fornece o valor de outro
parâmetro: o GWR (Gauge Widening Ratio), dado pela fórmula:
kgL
gGWR 7312⋅∆=
O GWR é um parâmetro da Via que irá apontar abertura acima do valor limite de
tolerância decorrente principalmente de problemas de fixação e dormentação
inadequadas, quanto maior for seu valor maior será a degradação do sistema
fixações / dormentes.
2.3 – Nivelamento da Via
Responsável pelo perfeito rolamento do material rodante, o nivelamento é um
parâmetro que define a altimetria da via permanente, devendo ser analisado sobre
dois aspectos:
17
• Nivelamento Longitudinal: que pode ser Absoluto ou Relativo. O Nivelamento
Longitudinal Absoluto é analisado comparando-se as cotas reais as de
projeto para cada trilho (direito e esquerdo). O Nivelamento Longitudinal
Relativo tem como referência a cota de outro 2 (dois) ponto da superfície do
mesmo trilho.
• Nivelamento Transversal: Este parâmetro só é analisado relativamente, ou
seja, verifica-se a diferença de cota de um trilho em relação ao outro no
sentido perpendicular a via.
O nivelamento será melhor discutido no Capítulo 3, onde serão expostos os
defeitos referentes a este parâmetro.
2.4 – Alinhamento da Via
O alinhamento é um parâmetro que define a planimetria da via permanente,
podendo ser analisado de forma relativa e absoluta:
• O Alinhamento Longitudinal Absoluto é analisado comparando-se os valores
reais levantados na via aos valores de suas abscissa de projeto para cada
trilho (direito e esquerdo).
• O Alinhamento Longitudinal Relativo, também medido para o trilho direito e
esquerdo da via, tem como referência a posição planimétrica de outro 2
(dois) ponto da superfície do mesmo trilho.
LIMA (1998) sugere que o monitoramento deste parâmetro seja feito a partir da
verificação da flecha em curvas, comparadas ao raio de projeto, e também ponto a
ponto ao longo da curva. Na tangente a base de medição pode também ser uma
corda de 20 metros ou extensões maiores, em função do aparelho de medição
disponível.
18
O alinhamento será mais bem discutido no próximo capítulo onde serão
expostos os defeitos referentes a este parâmetro.
19
3 – DEFEITOS NOS PARÂMETROS GEOMÉTRICOS
Segundo definição de RODRIGUES (2001):
“a superestrutura é a parte da via permanente que recebe os impactos
diretos da carga, cujos principais elementos constitutivos são os trilhos, dormentes
e o lastro, que estão sujeitos às ações de degradação provocada pela circulação
dos veículos e de deterioração por ataque do meio ambiente”.
De fato, os desvios dos parâmetros geométricos da superestrutura da via
permanente são influenciados principalmente pela freqüência de uso, pela
velocidade dos trens, pelo volume de carga bruta transportada, pela estabilidade da
super e infra-estrutura ou ainda pelo fato de a Via estar apoiada sobre uma camada
de lastro que está sujeita a deslocamentos em todas as direções (LIMA, 1998).
O desvio geométrico é caracterizado pela diferença entre o parâmetro real
(medido) e o definido em projeto (medida absoluta) ou a partir de uma base
predefinida sob a própria via (medida relativa). Se os desvios ultrapassam valores
definidos como limites de tolerância estabelecidos pela ferrovia, passam a ser
considerados defeitos. A progressão desses desvios, no tempo, caracteriza o que
se denominada de degradação da Via Permanente.
De forma geral, os desvios na geometria da via são agravados pela baixa
qualidade do material (dormentes, trilhos, componentes de fixação) socaria
insuficiente e raio de curva pequeno (apertado). A seguir são apresentadas as
formas de medir cada um desses parâmetros e os valores limites estabelecidos pela
MRS a partir dos quais são considerados com defeitos. Nota-se que cada um
representa um modo de medir o desvio de um dos elementos geométricos da via
definido no Capítulo 2: desalinhamento, desnivelamento, defeito de Bitola, empeno
e torção.
20
3.1 – Defeito de Alinhamento
Se uma corda estendida em dois pontos laterais do boleto de um trilho de um
trecho em tangente evidencia uma flecha como mostrada na figura 3.1, então a
linha está desalinhada. A linha tracejada (corda) representa o traçado original e a
distância X (flecha) indica o tamanho do defeito de alinhamento.
FIGURA 3.1: Desalinhamento em tangente
Fonte: Rodrigues (2001)
LIMA (1998) cita as principais causas do desalinhamento como sendo:
• Dormente laqueados;
• Ombro de lastro insuficiente;
• Desgaste ou quebra de placas de apoio;
• Quebra ou deformação nos trilhos.
3.2 – Defeito de Nivelamento
O excesso e mau acondicionamento da carga transportada pelos veículos
ferroviários causam sobre-esforços verticais no boleto do trilho que aceleram o
21
processo de degradação do parâmetro nivelamento. Este desvio pode ser no
sentido longitudinal ou transversal da via permanente e é medido separadamente
em cada trilho. Além deste, outros fatores podem também acelerar este processo
(LIMA, 1998):
• Dormentes Laqueados ou defeituosos;
• Trilhos corrugados;
• Bolsões de lama;
• Juntas desniveladas.
3.2.1- Defeito de Nivelamento Longitudinal
Se uma corda estendida em dois pontos na superfície do boleto de um trilho,
evidencia uma flecha como mostrada na figura 3.2, considera-se a via desnivelada
em seu sentido longitudinal. A linha tracejada (corda) representa o traçado ideal e a
distância X (flecha) indica a amplitude do nivelamento longitudinal.
FIGURA 3.2: Linha Desnivelada longitudinalmente
Fonte: Rodrigues (2001)
22
3.2.2 – Defeito de Nivelamento Transversal
O desnivelamento transversal pode ocorrer na tangente ou na curva. Na
tangente sua amplitude é simplesmente a diferença (X) entre os dois trilhos no
plano horizontal, como mostra a Figura 3.3 (DUVAL, 2001).
FIGURA 3.3: Desnivelamento Transversal em Tangente
Fonte: Duval (2001)
Na curva horizontal, que tem uma superelevação, o desnivelamento é a
diferença de nível entre os dois trilhos menos a superelevação de projeto da curva,
ou seja, se a Figura 3.3 representasse a seção transversal de uma linha em curva
de superelevação teórica S, o tamanho do defeito serie a diferença entre X e S.
Quando em curva o desnivelamento transversal é simplesmente chamado de
defeito de superelevação .
3.3 – Defeito de Bitola
Quando a medida do valor da bitola ultrapassa os limites de tolerância
estabelecidos para a mesma, então existe um defeito de bitola que pode ser
positivo ou negativo. Os desvios no valor da bitola em tangente acarretam
problemas no alinhamento da via. Nas curvas, além deste problema de
alinhamento, seu efeito reduz sobremaneira a segurança operacional e amplia e
acelera o processo de desgastes nos trilhos e nas rodas. (LIMA, 1998). O defeito de
23
bitola pode ser avaliado sob dois aspectos: Alargamento e Estreitamento, que são
descritos a seguir.
3.3.1- Alargamento de Bitola
Nesta avaliação, verifica-se o limite máximo admissível para o valor da bitola.
Se o valor medido é superior ao estabelecido, então a linha está com alargamento
(Figura 3.4):
FIGURA 3.4: Alargamento de bitola
Fonte: Lima (1998)
LIMA (1998) relaciona o defeito de alargamento de bitola a alguns fatores que
podem ser responsáveis por este distúrbio:
• Dormentes em condições ruins ou laqueados;
• Desgaste da placa de apoio;
• Tirefonds frouxos ou orifícios desgastados;
• Desgaste lateral do boleto do trilho;
• Juntas quebradas ou com folga;
• Raio de curva muito apertado;
• Lubrificação Inadequada;
24
• Qualidade do material empregado (fixação, dormente, trilho);
• TKB (Tonelada Bruta Transportada) elevado.
3.3.2 – Estreitamento de Bitola
Nesta avaliação, verifica-se o limite mínimo admissível para o valor da bitola. Se
o valor medido é inferior ao estabelecido, então a linha está com estreitamento
(Figura 3.5).
LIMA (1998) cita deformações no lado interno do trilho, dormente defeituosos e
placas de apoio quebradas como os principais fatores causadores de estreitamento
na bitola da Via.
FIGURA 3.5: Estreitamento de Bitola
Fonte: Lima (1998)
3.4 – Empeno e Torção
Os fatores causadores dos defeitos de nivelamentos transversais, são também
responsáveis pelo aparecimento de Empeno e Torção na linha. Muito mais severos
que os demais defeitos de nivelamento, podem acarretar descarrilamento de trens e
25
ocorrem, com maior freqüência em linhas que possuem grandes quantidades de
juntas consecutivas.
O empeno indica a potencialidade de instabilidade para dois truques de um
mesmo vagão, enquanto que a Torção focaliza a questão para os dois rodeiros de
um mesmo truque.
3.4.1 – Torção
Também chamado Twist, a torção é a diferença entre a superelevação (SE1) de
um ponto (P1) de referência e a superelevação (SE0) de um ponto (P0) medido
anteriormente, a uma distância pré-determinada (bT), como mostra a Figura 3.7:
FIGURA 3.7: Torção
Fonte: Holemaker (2006)
Uma via com torção causa nos vagões o chamado movimento de Twist, daí seu
nome. A torsão é usada para indicar qual é a diferença de inclinação entre os dois
truques do vagão.
26
3.4.2 – Empeno (Warp)
É a maior diferença entre superelevações dentro de uma determinada distância
“base de warp (bW)”. O trecho considerado para análise é aquele que vai de bW/2
para trás até bW/2 para frente do ponto medido. “ Referência”
Na Figura 3.8, estamos estudando warp na posição P1. O cálculo é feito
tomando-se a maior superelevação em qualquer ponto entre P0 e P2. Em seguida,
busca-se a menor superelevação no mesmo trecho. Não importa se esses pontos
estão antes ou depois de P1, apenas que eles estejam no trecho definido por bW. O
valor warp é a diferença entre as duas superelevações extremas encontradas.
FIGURA 3.8 – Cálculo do empeno
Fonte: Holemaker (2006)
3.5 – Tolerâncias dos Parâmetros de Geometria da Via
Como dito em todo este capítulo, todo desvio medido na geometria da via se
torna defeito ao ultrapassar os limites de tolerância, definidos para a ferrovia em
questão.
27
Segundo RODRIGUES (2001), embora hajam várias teorias de classificação
das tolerâncias, devem existir pelo menos os seguintes níveis:
• de construção;
• de segurança;
• de conforto e
• de manutenção.
A tolerância no nível de construção é aplicada para vias novas para checar a
qualidade do trabalho recebido. Como os componentes da via ainda estão novos,
essas tolerâncias são as mais exigentes de todos os níveis. Esses valores são
também utilizados para o recebimento de obras de renovação e remodelação da
via.
Os valores das tolerâncias no nível de segurança são definidos de modo a evitar
a existência de desvios, que podem gerar descarrilamentos da composição e
esforços acima das resistências de apoio e fixação da via. São os valores definidos
e que a partir dos quais a circulação de veículos se torna insegura. Apontam à
necessidade de serviços urgentes de correção geométrica, os quais possuem
prioridade sobre todos os demais.
O nível de conforto define valores que venham a proporcionar bem estar aos
passageiros. É utilizado largamente nas ferrovias de transporte de passageiros,
mas não se aplica às ferrovias de carga e por este motivo, não será detalhado neste
trabalho.
Os valores das tolerâncias de manutenção são definidos de modo a minimizar o
custo total da manutenção, estabelecendo-se, assim, o momento mais conveniente
para a intervenção de manutenção.
28
A Tabela 3.1 apresenta os valores limites de tolerância dos parâmetros
geométricos medidos pelo Veículo de Avaliação da Via TrackSTAR, da Holland,
nos trechos da malha da MRS.
Tabela 3.1: Limites de Tolerância do TrackSTAR
Fonte: PCM Via/MRS (2005)
As classes de via apontadas na Tabela 3.1 são definidas pela norma 213 da
FRA, artigo 9, e classifica as ferrovias de acordo com os níveis de qualidade da via
permanente, aspecto que vem a limitar ou definir as velocidades máximas
autorizadas (VMA) de circulação, a saber:
• Classe 1: VMA para circulação de trens de carga - 16 km/h;
VMA para circulação de trens de passageiros - 24km/h.
• Classe 2: VMA para circulação de trens de carga - 40 km/h ;
VMA para circulação de trens de passageiros - 48km/h.
• Classe 3: VMA para circulação de trens de carga - 64 km/h;
VMA para circulação de trens de passageiros - 96km/h.
• Classe 4: VMA para circulação de trens de carga - 96 km/h;
VMA para circulação de trens de passageiros - 128km/h.
29
• Classe 5: VMA para trens de carga - 128 km/h;
VMA para a circulação para trens de passageiros - 144km/h.
A FRA ainda define uma classe extra, chamada Via Excepcional, com VMA de
16 km/h para trens de carga e circulação de trens de passageiros proibida.
Na malha da MRS, encontramos trechos que se encaixam nas classes 1 no
pátio de Santos, 2 no pátio de Raiz da Serra (Baixada Santista) e 3, na Linha do
Centro. Já na ferrovia do aço, durante algum tempo adotou a classe 4 e depois
voltou para a 3. Mas isso não alterou a velocidade de circulação dos trens. Na
atualidade, não existe nenhum trecho que possa ser considerado como Classe 5
pela tabela anteriormente apresentada.
Atualmente esta classificação é utilizada pelo Veículo de Avaliação da Via
TrackSTAR para verificar os limites máximos nas imperfeições da via. Quanto mais
alta a classe, menor o limite de tolerância e consequentemente maiores custos de
manutenção serão exigidos.
30
4 – MANUTENÇÃO DA SUPERESTRUTURA FERROVIÁRIA
Após a construção da ferrovia e a definição dos níveis de tolerância dos
parâmetros geométricos, tornam-se necessárias intervenções para manter os
parâmetros geométricos dentro das devidas faixas de tolerância, de modo a garantir
a segurança da circulação dos veículos ferroviários.
LIMA (1998) define a manutenção da Via Permanente como uma intervenção
que “utiliza-se de meios materiais e de mão de obra com o objetivo principal de
manter a geometria da via nos padrões de qualidade, empregando racionalmente os
recursos de forma a disponibilizar o transporte”.
A degradação dos componentes de via é conseqüência direta da freqüência e
intensidade de esforços verticais e horizontais causados pelo material rodante
circulante na superestrutura.
Segundo RODRIGUES (2001) a degradação dos componentes da
superestrutura ferroviária varia em função da qualidade do material empregado na
via, das características da infra-estrutura da via, do meio ambiente existente na
região na qual o trecho ferroviário está situado, do tipo da manutenção executada e
das características da operação a qual a via é submetida.
4.1 Tipos de Manutenção da Superestrutura
As primeiras práticas de manutenção da Via Permanente eram feitas apenas
com medições de instrumentos simples como a régua de bitola e superelevação e
inspeções visuais feitas a pé ou com auto de linha onde o Engenheiro Residente,
avaliava o estado geométrico da linha, de uma forma totalmente empírica através
da observação do comportamento do auto, da locomotiva ou do vagão.
31
O empirismo ainda existe hoje na manutenção da Via Permanente, o
direcionamento das ações quase sempre baseadas na experiência profissional de
Engenheiros Residentes e Supervisores de Via. Porém os métodos de inspeção
evoluíram e os registros hoje são mais confiáveis, o que ao menos norteia a
aplicação dos recursos e a adoção de uma política de manutenção para
determinação do tipo e volume de serviços a serem realizados e por conseqüência,
os custos envolvidos. São três os tipos básicos de Manutenção da Superestrutura
da Via Permanente: Manutenção Corretiva, Manutenção Preventiva e Manutenção
Preditiva, que é o principal foco deste trabalho.
4.1.1 – Manutenção Corretiva
É o método mais primário de conservação. Na medida em que é detectado um
defeito, há a necessidade de uma intervenção. A manutenção corretiva pode ser
sintetizada pelo ciclo “quebra-repara”. É a forma mais onerosa de manutenção. Os
serviços não são planejados, ocorrem de forma aleatòria, ocasionando aplicação
irregular de recursos e paralisações inoportunas no tráfego, que levam à redução da
produção e confiabilidade.
Não há notícias de que se possa eliminar por completo a manutenção corretiva;
mesmo em sistemas mais evoluídos, ocorrem avarias que exigem este tipo de
manutenção (RODRIGUES, 2001).
4.1.2 – Manutenção Preventiva
É o tipo de intervenção que acontece de forma cíclica programada, com uma
grande concentração de recursos, mecanização de grande porte (Máquina
Socadora, Esmerilhadora) e uma organização em nível de produção industrial,
32
obtendo-se, com isto, uma significativa redução de custos sem comprometer a
segurança do tráfego.
É realizada a intervalos fixos de tempo, independente do fato da condição do
equipamento já ter ou não um valor crítico de desgaste. Como conseqüência,
planos de manutenção preventiva podem trazer resultados inferiores aos esperados
e tornar onerosa a manutenção já que as intervenções são baseadas na crença de
que há uma relação entre a probabilidade de falha (confiabilidade) e o tempo em
operação (RODRIGUES, 2001). A realização em excesso de serviços de correção
geométrica da superestrutura da via permanente ferroviária provoca a degradação
prematura do lastro. Por este motivo torna-se importante determinar o adequado
momento de intervir antes da ocorrência da falha.
LIMA(1998) classifica os serviços preventivos de três formas, a saber:
a) Renovação e Substituição: Troca total ou parcial dos componentes da
superestrutura por novos (renovação) e reemprego de materiais com menos
desgaste no lugar de outros que já atingiram o limite de desgaste (substituição).
Como exemplos de serviços ligados a esse tipo de intervenção pode-se citar:
• Substituição de dormentes;
• Limpeza e recomposição do lastro;
• Substituição dos trilhos gastos ou defeituosos;
• Inversão de trilhos.
b) Revisão: acontece de forma rotineira, com o objetivo de não só remover os
defeitos já existentes, mas também os que estão em formação.
Os serviços relacionados à revisão periódica são, principalmente:
• Puxamento de curvas;
• Nivelamento da Via;
33
• Nivelamento de Juntas;
• Alinhamento de tangentes;
• Socaria Mecanizada
c) Pequena Conservação: consiste em intervenções de pequena amplitude com o
objetivo de impedir que as condições da via afetem a segurança, como:
• Reforço da fixação;
• Correção de bitola;
• Socaria Manual;
• Eliminação de fraturas em trilhos;
• Serviços de “Ronda” (colaborador responsável pela inspeção da Via e
execução de pequenos reparos manuais).
Tradicionalmente, a manutenção da via permanente ferroviária é executada
preventivamente, de modo sistemático e dentro de critérios de períodos
preestabelecidos, partindo do pressuposto que a superestrutura se degrada numa
taxa uniforme e conhecida, o que na realidade, não acontece, visto que cada trecho
conta com peculiaridades próprias de ambiente, solo e volume de transporte.
Na MRS, a manutenção tem como referência principal os gráficos gerados pelo
TrackSTAR e os conceitos de “limite de Manutenção” e “limite de Segurança”. Se
um parâmetro qualquer, medido pelo Track STAR, estiver acima da tolerância
definida para a classe da Via medida, então se diz que este parâmetro, neste ponto
específico, rompeu ou ultrapassou o limite de segurança, sendo necessária uma
intervenção corretiva no local.
Porém, existem valores que indicam aos gestores de manutenção de via a
proximidade do limite de segurança para cada parâmetro. Este valor é o chamado
Limite de Manutenção, que possibilita indicar a necessidade de uma intervenção
preventiva, de modo a se evitar o defeito antecipadamente. Como exemplo pode-se
citar o parâmetro Bitola em uma via de classe 3. O limite de segurança estabelecido
34
para este parâmetro é de 1632 milímetros. A partir de 1625 milímetros (limite de
Manutenção) programa-se uma intervenção para prevenir o aparecimento do
defeito.
4.1.3 – Manutenção Preditiva
A abordagem preditiva de Manutenção estabelece por premissa que todo
componente de um sistema possui uma vida útil detectável, de modo que as
alterações de suas propriedades dão a indicação da proximidade do momento da
falha, proporcionando um tempo hábil para a intervenção de manutenção
(RODRIGUES, 2001).
O uso da tecnologia disponível para inspeção dos parâmetros geométricos da
Via Permanente permite o monitoramento contínuo do funcionamento do
componente, deste modo podem subsidiar um trabalho de determinação do
momento mais adequado (ponto preditivo) para a execução de uma intervenção
preventiva, minimizando trabalhos desnecessários e reduzindo despesas. Vale
ressaltar, aqui, que a manutenção preditiva vem aliada a uma intervenção
preventiva, já que o monitoramento e “previsão” do momento da falha exigirão uma
programação de atividades de prevenção da ocorrência da falha, antes que a
mesma aconteça.
Como exemplos de instrumentos de inspeção de parâmetros da superestrutura
ferroviária na MRS, podem-se citar:
• Veículo de Avaliação da Via (TEV): A MRS utiliza o veículo TrackSTAR,
fabricado pela americana Holland. É um caminhão autopropulsado, dispondo
de um sistema rodoferroviário. Utiliza emissores de laser e câmeras de
vídeos de altíssima velocidade e definição para captação de imagens,
adquirindo os dados em tecnologia “non contact”. Adicionalmente, o Track
STAR está equipado com uma caixa inercial, que consiste em um conjunto
35
de giroscópios, acelerômetros e sensores de posição de alta precisão, que
fornecem dados como Torção, Empeno, Alinhamento, Nivelamento
Longitudinal, desgaste do trilho, bitola sem carga e carregada.
• Trolley: equipamento leve e de propulsão humana, o Trolley mede
parâmetros da via como Torção, Empeno, Bitola, Superelevação, rampa e
nivelamento. É de fácil manipulação e conta com sensores analógicos que
coletam os dados e enviam para uma CPU de bordo que decodifica as
informações analógicas para digitais.
• Ultra-som: Montado sobre uma estrutura parecida com o Trolley, o Ultra-som
avalia as condições mecânicas do trilho, detectando sinais de fadigas e
trincas internas, através de emissão de raios X na superfície do trilho.
Por falta de um monitoramento constante dos parâmetros e de um processo
adequado de análise, não se conhece perfeitamente a curva de degradação da via.
Este fato impede que se determine de forma adequada, quando exatamente a
amplitude deste parâmetro se tornará um defeito, o que possibilitaria a manutenção
atuar preditivamente otimizando o uso do ativo até seu limite real.
O monitoramento dos parâmetros geométricos e o processo de análise
adequado dos dados permitem identificar no momento certo para a intervenção da
manutenção, nem tão antecipado, nem tão postergado. A atuação precoce, como
sugere a prática preventiva clássica baseada nos ciclos de revisão programados,
implica numa possível subutilização do ativo, visto que o mesmo poderia ser
utilizado por mais tempo já que sua substituição poderia se dar mais próximo do fim
de sua vida útil. Como conseqüência, este modo de atuação aumenta os custos de
manutenção.
Por outro lado, uma atuação tardia pode comprometer inaceitavelmente a
segurança operacional com o aumento da probabilidade de ocorrência de acidente
e risco de aparecimento de falhas, implicando a necessidade de intervenção
corretiva, o que também aumenta os custos da manutenção.
36
Assim, através de um modelo de degradação definido para cada trecho, poder-
se-á estimar o momento mais adequado para realização dos serviços de
manutenção otimizando a utilização dos materiais e serviços que compõem a via
permanente possibilitando que eles desempenhem mais adequadamente suas
funções sem aumentar os riscos operacionais.
Este trabalho visa contribuir para a implantação da manutenção preditiva na via
permanente ferroviária, a partir de um melhor conhecimento do comportamento da
degradação da bitola da via e de como estabelecer mais adequadamente o
momento e o melhor serviço a ser executado em cada situação. Para tanto, propõe-
se um procedimento alternativo para o diagnóstico de um índice de degradação que
possibilitará estabelecer a passagem entre ações preventivas e preditivas.
37
5 – ROTEIRO METODOLÓGICO
A revisão bibliográfica apresentada até aqui mostra que a manutenção preditiva
exige um monitoramento periódico dos parâmetros que possam retratar
estatisticamente a curva de degradação de um trecho da via permanente a fim de
estimar o momento mais propício para realização de suas intervenções.
O roteiro a seguir proposto estabelece uma seqüência de ações que,
implantadas, propiciarão a seleção de um índice de avaliação da qualidade da
geometria via permanente ferroviária (elemento crítico) cuja tendência permita
estabelecer sua curva de degradação com adequada confiabilidade e o
estabelecimento do valor de seu limite admissível, o que possibilitará determinar o
instante da intervenção da manutenção preditiva (Ponto Preditivo).
Com a finalidade de esclarecer a seqüência adotada no trabalho e suas etapas
do processo, mostra-se à figura 5.1 o fluxograma das etapas.
De início, se propõe a escolha do método de monitoramento que deverá ter
como base a disponibilidade de equipamentos, as rotinas de registro vigentes e os
valores de tolerâncias já estabelecidos pelas normas ou pela prática na condução
do cotidiano da manutenção.
Para o cumprimento da segunda etapa, impõe-se que o trecho escolhido seja
representativo da malha em estudo devendo apresentar as mesmas características
de operação, transporte, clima, material empregado, tipo de manutenção,
características geométricas, característica de infra-estrutura etc. Este trecho de via
selecionado deverá ser composto por um único elemento de planta (curva ou
tangente) a fim de garantir a homogeneidade geométrica.
Com o trecho e o método de monitoramento definidos, faz-se necessário
programar e realizar as medições do parâmetro bitola a fim de constituir um banco
de dados primário para a análise do comportamento do parâmetro na medida em
38
que evolui o peso total dos trens que sobre a via circulam (variável independente –
milhões de toneladas brutas transportadas - MTBT).
ROTEIRO METODOLÓGICO
FIGURA 5.1: Roteiro Metodológico
DEFINIÇÃO DO MELHOR
SERVIÇO
DEFINIÇÃO DO MÉTODO DE
MONITORAMENTO
SELEÇÃO DO TRECHO A SER
ESTUDADO
FORMAÇÃO DO BANCO DE DADOS
PRIMÁRIO
SELEÇÃO DOS INDICES E METODO DE SEU CÁLCULO
SELEÇÃO DO ÍNDICE MAIS ADEQUADO
ESTABELECIMENTO DO PONTO PREDITIVO
39
A quarta etapa compreende a seleção dos índices e seus respectivos métodos
de cálculo já que o parâmetro a ser monitorado e a variável explicativa
(independente), por definição inicial, são a bitola da via e a tonelagem bruta que
sobre o trecho circula. Entre eles deverão ser selecionados aqueles possíveis de
serem aplicados em função da disponibilidade de informação sobre seu
procedimento de cálculo.
A seleção do índice mais adequado capaz de, com significância estatística
definida, representar a degradação da geometria da via permanente, em função de
seu uso, passa inicialmente pela escolha de um modelo geral que represente
adequadamente sua curva de degradação. Assim, para cada índice selecionado
deverá ter estimada sua curva evolutiva, tendo como variável explicativa a
quantidade de trafego que sobre a via circulou medida em MTBT no intervalo
considerado.
RODRIGUES (2001) define o comportamento da evolução da degradação da
via como sendo linear ao longo do tempo, hipótese que será adotada neste
trabalho.
Neste caso, temos que a variável independente MTBT (X) exerce influência nos
valores da bitola (Y) de uma forma que, se aproximarmos os pontos a um eixo
médio, teremos uma reta, dada pela equação geral
Y= a + bX+ U.
O parâmetro b indica a influência do MTBT sobre a medida de bitola. O
parâmetro a (termo constante) indica a ausência de alteração significativa da Bitola
entre unidades de observações, no âmbito da amostra utilizada, depois de
descontada a influência da variável independente. O termo aleatório U expressa a
influência de um conjunto de variáveis individualmente irrelevantes, que não figuram
explicitamente no modelo e que produzem um desvio em relação ao que a variável
dependente deveria ser, se a relação fosse determinística.
40
Considerando a ausência de autocorrelação ou independência do termo U em
relação a X e a abordagem pelo Método dos Mínimos Quadrados para obter as
estimativas dos parâmetros a e b, a partir de uma amostra de valores Yi e Xi , de
modo que os erros ou resíduos sejam mínimos, então temos que E (ui Xi ) = 0.
(RODRIGUES, 2001)
Utilizando o Modelo de Regressão Linear Simples (FONSECA E OUTROS,
1985) pode-se estimar o valor total do volume de tráfego em MTBT que levará o
valor do parâmetro bitola a ultrapassar o Limite de Segurança de 1632 mm. Sabe-
se que as equações normais para o Método dos Mínimos Quadrados são:
)(
)(2 II
I
XbXaXY
XbnaY
+=
+=
∑ ∑ ∑∑ ∑
Onde n é o número de amostras.
Na determinação de a e b, podemos, primeiramente dividir todos os termos da
equação (I) por n, assim:
n
Xb
n
na
n
Y ∑∑ +=
Sendo Yn
Y=∑ e X
n
X=∑ , então:
XbaY += ou ainda:
XbYa −=
Substituindo o valor de a na equação (II):
( )∑ ∑∑ +−= 2XbXXbYXY
∑ ∑ ∑∑ +−= 2XbXXbXYXY ou:
( )
−=− ∑
∑∑ ∑
∑ n
XXb
n
XYXY
22
41
Portanto: ( )n
XX
n
XYXY
b∑
∑
∑ ∑∑
−
−=
22
A quinta etapa trata da seleção do índice mais adequado para representar o
processo de degradação da geometria da via permanente. Esse problema se
resume em identificar, entre os índices selecionados, aquele cuja inter-relação entre
seu valor relativo e o nível de produção se apresenta estatisticamente robusta.
A utilização adequada de modelo de regressão linear pressupõe a verificação
da satisfação de alguns pressupostos básicos para que tal estimativa seja válida em
termos de confiabilidade (FONSECA E OUTROS, 1985). Neste trabalho, em virtude
da exigüidade de tempo e do caráter exploratório da pesquisa, esses pressupostos
serão, a priori, considerados atendidos.
Assim, o índice mais adequado para representar o processo de degradação da
geometria da via permanente será aquele cujo modelo apresentar maior valor do
coeficiente de determinação R2 que é a medida mais utilizada para aferir o grau de
ajuste de uma reta de regressão, ou seja: R2 mede a proporção ou a porcentagem
da variação total em Y explicada pelo modelo de regressão.
Para o estabelecimento do ponto preditivo, ou seja, o momento exato da
intervenção de manutenção será executado, para cada trecho, pela estimativa do
valor acumulado da produção em toneladas brutas, calculada substituindo-se, na
equação de estimação, a variável explicada pelo valor de seu limite admissível.
Dispondo-se da estimativa do valor acumulado da carga necessária para o
índice atingir seu valor limite admissível (Pt), de posse do valor acumulado da
produção até a data de registro da via (Pa) e sabendo-se a programação mensal de
produção do trecho (Pm), o período de tempo (T), em meses, entre esta data e o
momento em que se deverá proceder a intervenção de manutenção preditiva será
determinada pela equação:
T = ( Pt – Pa ) / Pm
42
5.1 - Considerações sobre a seleção do melhor serviço (sétima e última etapa)
Definido o momento da falha, é importante que se saiba qual a melhor forma de
atuação no local onde será feita a intervenção. Independentemente do método
utilizado para definir o momento da intervenção, deve-se ter em mente que existem
vários tipos de intervenção que podem corrigir o desvio do parâmetro bitola. Cada
um implica em uma forma de atuação específica de modo a racionalizar custos de
material e mão de obra e tempo de paralisação da linha.
A abertura do parâmetro bitola pode ser causada pelo desgaste lateral do boleto
do trilho, por insuficiência de retenção da fixação pelo dormente, por desgaste na
placa de apoio, por problemas na fixação, defeitos na fixação do trilho etc. Da
mesma forma os defeitos de fechamento de bitola podem ser causados por
rebarbas na face interna dos trilhos, defeitos em sua fixação etc. Dependendo do
agente causador deve ser programado um tipo específico de serviço para sua
correção.
O atrito das rodas dos veículos ferroviários na lateral do boleto externo da curva
provoca um desgaste do boleto do trilho, sendo o mesmo detectado como um
problema de bitola aberta (ver figura 5.2). Assim, quando o valor da abertura da
bitola indicar a necessidade de uma intervenção de manutenção, deve-se, antes de
definir o tipo de intervenção verificar o valor horizontal desse desgaste. Por
exemplo, uma bitola de 1632 milímetros exige uma atuação corretiva. No entanto,
se o boleto apresentar um desgaste horizontal de 20 milímetros, um trilho com a
lateral sem desgaste pode ser utilizado de modo que, ao final de sua instalação,
teremos uma bitola de 1612 milímetros, dentro dos limites de tolerância e sem a
necessidade de uma correção na furação dos dormentes.
43
FIGURA 5.2: Desgaste Horizontal do boleto
Fonte: VP/MG (MRS)
Uma outra opção para corrigir esse tipo de situação seria a inversão dos trilhos
da curva, o trilho externo passaria para o local do interno e o interno para o local do
externo, desde que a área total desgastada do trilho externo não comprometa sua
ação estrutural. Convenciona-se chamar esse tipo de intervenção de Inversão de
Trilhos .
Supondo, agora, uma situação em que o trilho externo apresente desgaste nos
dois lados do boleto e que seu total represente uma perda de cerca de 30% de sua
área, neste caso a melhor decisão seria a Substituição do Trilho por outro novo,
sucatando o material substituído (ver figura 5.3).
FIGURA 5.3: Desgaste Horizontal do boleto em um trilho já invertido
Nas situações em que a bitola se apresenta aberta e não existe desgaste
significativo da lateral do boleto, é sinal que a abertura pode ser causada por um
Trilho invertido - perda de área
acentuada
h - influência do desgaste
horizontal na bitola
h - influência do desgaste horizontal na
bitola
44
desgaste na placa de fixação, fixação deteriorada, furação inadequada do dormente
ou dormente danificado. Se o problema for causado pelo desgaste da placa de
apoio, fixação deteriorada ou por dano no dormente, deve ser programada a
substituição do material deteriorado. Se não for o caso, a melhor intervenção será a
ajustagem da distância entre as duas filas de trilhos à medida de 1600 milímetros
pelo reposicionamento de uma das filas através de uma nova furação no dormente.
Note-se que nos casos de fixação e dormentes deteriorados, a diferença entre o
valor medido da bitola com carga e sem carregada gera um valor do GWR elevado,
o que indica que os dormentes e a fixação no local não estão exercendo suas
funções corretamente. Assim, a melhor opção será programar uma Consolidação
da Fixação ou uma Substituição de Dormentes.
45
6 – ESTUDO DE CASO
A construção conceitual e prática do procedimento de pesquisa parte do
acompanhamento do comportamento do parâmetro Bitola medidos quinzenalmente,
considerando-se os milhões de toneladas brutas transportadas (MTBT), no local,
durante os intervalos de medição.
6.1 – Definição do Método de Monitoramento
O método de monitoramento é caracterizado pelo tipo de instrumento e
freqüência de medição empregada. O equipamento disponível na MRS, utilizado em
larga escala pelas residências de Via Permanente, é o Data-Logging Trolley
ABT4370 , tratado aqui simplesmente por Trolley.
Segundo seu fabricante, HOLEMAKER (2006), “trata-se de uma estrutura
tubular, construída sob rígido controle dimensional, pouco suscetível a dilatações
sob temperatura ambiente, com sensores eletrônicos que se apóiam sobre os
trilhos”, como mostra a Figura 6.1 a seguir:
FIGURA 6.1: Data Logging Trolley
Fonte: Abtus (2006)
46
É um arranjo de duas estruturas de hastes tubulares, denominadas “Viga
principal” e “Moldura em A”, com os referidos sensores eletro-mecânicos dispostos
em quatro posições e em contato contínuo com a linha de bitola do trilho (Figura
6.2). Três destes sensores se localizam na Moldura em A, posicionada em uma fila
de trilho, à esquerda do sentido de operação e o quarto sensor fica posicionado na
Viga Principal, montada ortogonalmente à Moldura em A e assentada na fila de
trilho oposta.
FIGURA 6.2: Posição do sensor eletromecânico do Trolley
Fonte: Abtus (2006)
Os sensores extremos da Moldura em A estão eqüidistantes 0,75m, o que
permite que os dados sejam coletados em intervalos múltiplos de 0,75m até 6
metros. Deslocando o aparelho ao longo da linha, os quatro sensores fornecem
uma medição discreta da Bitola, da Superelevação (SE), da Torção, da Inclinação
(Gradiente) e da Corda1, segundo o intervalo considerado. O parâmetro Empeno é
calculado pelo software que acompanha o instrumento após à definição do
comprimento de sua base pelo usuário 2.
As medidas analógicas são transformadas em valores digitais através de uma
CPU com display de LCD, acoplada à haste de operação da Viga Principal e
1 Gradiente e Corda medidos pelo Trolley são simplesmente ignorados na MRS, por ser uma base de
medida muito curta, menor que a base rígida de truque dos vagões de manga “T”.
2 Na MRS adota-se a distância de 20 metros, referente à medida entre os truques do vagão de maior
comprimento utilizado pela operadora, vagão plataforma de manga “S” - PGS
47
apresentado no esquema da Figura 6.3. Esta CPU é alimentada por uma fonte DC
de 12V que é posicionada na Viga principal.
FIGURA 6.3 - Display de LCD do Trolley
Fonte: Manual Abtus
O relatório de saída é gerado pela CPU e transferido para um software
específico para o ambiente Microsoft Windows. Daí, os dados podem ser
exportados para MS-Excell, de forma a tornar mais amigável o tratamento e análise
dos resultados das medições.
6.2 – Seleção do Trecho a Ser Estudado
Utilizando os critérios esposados no roteiro metodológico, foram selecionadas
duas curvas no município de Belo Vale, Minas Gerais. O trecho situa-se no Ramal
do Paraopeba, com 149.511 metros de linha na parte Norte da Malha da MRS,
entre os pátios de Joaquim Murtinho e Barreiro. A Figura 6.4 mostra a localização
do trecho na malha da MRS.
48
(a)
(b)
FIGURA 6.4: Mapa da MRS Logística: (a) geral; (b) detalhe do trecho estudado
Fonte: MRS (2006)
49
O trecho é dos mais solicitados da malha da MRS, dada sua localização ser
acesso a cinco dos oito terminais de carregamento de minério de ferro. Por ser o
trecho em via singela, trens vazios e carregados circulam nos sentidos de
carregamento e exportação com velocidade máxima autorizada de 64Km/h (Classe
3). Outras características operacionais significativas do local são:
• Elevada tonelagem circulante: cerca de 450 milhões de Toneladas Brutas X
Quilômetro (TKB) mensais, uma das maiores da MRS, justificada pela
posição do trecho que dá acesso aos principais pontos de Carregamento de
Minério por onde passam, diariamente, trens vazios e Carregados;
• Curvas de pequenos raios: devidas principalmente pelas condições
topográficas de relevo montanhoso e subsolo rochoso, além de definições de
projeto que não previam as atuais velocidades operacionais e tonelagem
transportada tão elevada;
• Necessidade de alto esforço trator: neste trecho os trens carregados são
auxiliados por uma dupla de locomotivas posicionadas na cauda do trem,
com a finalidade de vencer a rampa existente.
O trecho selecionado situa-se a 3 km do pátio de Belo Vale, no sentido de
exportação. Existem duas nomenclaturas para as quilometragens de via na MRS: o
chamado Quilômetro Histórico, que retrata as medidas originais de projeto e
construção, e o Quilômetro Real, que contempla alterações na malha, tais como
linhas variantes, correções geométricas e desvios construídos ao longo dos anos.
O local das medições é sito no km 528+555 (quilômetro real), mas neste
trabalho será tratado pela nomenclatura Histórica (525+000). A Figura 6.5 mostra o
gráfico da inspeção do veículo TrackSTAR, realizada no dia 3 de março de 2006,
indicando um único defeito entre os oito parâmetros medidos no trecho: um empeno
de amplitude igual a 52, 94 mm na primeira curva do trecho
50
FIGURA 6.5: Gráfico de inspeção do TrackSTAR no trecho selecionado
Fonte: SSE/MRS (2006)
51
As Figuras 6.6 e 6.7 apresentam os desenhos planimétricos das curvas
selecionadas, aqui denominadas Curva 1 e 2, obedecendo à quilometragem
crescente. É importante que se diga que os serviços de correção geométrica e de
bitola foram realizados antes do início das inspeções desta pesquisa e nenhum
outro serviço de via foi executado durante as coletas dos dados.
FIGURA 6.6: Curva 1
Fonte: Engenharia de Obras Especiais/MRS
FIGURA 6.7: Curva 2
Fonte: Engenharia de Obras Especiais/MRS
52
As figuras 6.6 e 6.7 apresentam os pontos notáveis das curvas TE, EC, CE, ET,
e seus respectivos valores de raio (R) e comprimento total (Dt).
A curva 1 tem início no quilômetro 525 e se estende até o ponto 525+333. A
Curva 2, com 293 metros de comprimento, inicia no Km 525+ 591 e se estende ate
o km 525+885.
6.3 – Formação do Banco de Dados
As medições foram realizadas quinzenalmente entre os meses de março e
junho, totalizando cinco amostras da medição do parâmetro bitola executadas com
o Data Logging Trolley. A Tabela 6.1 apresenta as datas das inspeções e as
referidas MTBT (Milhões de Toneladas Brutas Transportadas). Considera-se que na
data da primeira medição iniciou-se a contagem acumulada dos valores de MTBT,
por isso o primeiro valor é nulo.
TABELA 6.1: Cronograma de medições e Tonelagem Bruta Circulante
Data da Medição MTBT31/3/2006 014/4/2006 1,528/4/2006 3,217/5/2006 4,82/6/2006 6,3
Os valores coletados são apresentados nos Anexos II a VI. As figura 6.8 e 6.9
mostraram os comportamentos de todos os pontos medidos nas curvas 1 e 2
respectivamente.
53
CURVA "1" - BITOLA
-15
-10
-5
0
5
10
15
200 12 24 36 48 60 72 84 96 108
120
132
144
156
168
180
192
204
216
228
240
252
264
276
288
300
312
324
POSIÇÃO (m)
0 MTBT (31/03/06)
1,596 MTBT (14/04)
3,193 MTBT (28/04)
4,785 MTBT (17/05)
6,377 MTBT (02/06)
FIGURA 6.8: Plotagem dos dados coletados - Curva “1”
CURVA "2" - BITOLA
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
591
600
609
618
627
636
645
654
663
672
681
690
699
708
717
726
735
744
753
762
771
780
789
798
807
816
825
834
843
852
861
870
879
POSIÇÃO (m)
BIT
OLA
(m
m)
0 MTBT (31/03/06)
1,596 MTBT (14/04)
3,193 MTBT (28/04)
4,785 MTBT (17/05)
6,377 MTBT (02/06)
FIGURA 6.9: Plotagem dos dados coletados - Curva “2”
54
6.4 – Seleção dos Índices e seus Métodos de Cálculo
A quantidade de dados coletados e seu comportamento mostrado anteriormente
inviabilizam o tratamento isolado de cada ponto monitorado. Assim, torna-se
necessária a seleção de índices que de uma forma simples representem o
comportamento da amostra.
No caso em estudo optou-se pela análise da evolução dos pontos que
apresentaram maior variação absoluta no período monitorado situados nas espirais
de entrada e saída da curva, de dois pontos de maior variação absoluta no período
monitorado da curva circular e da média e do desvio padrão dos valores medidos
em cada amostragem.
Os quatro pontos foram estrategicamente escolhidos por abranger diferentes
regiões das curvas. Nas tabelas apresentadas a seguir, o segundo e terceiro ponto
são parte da circular das curvas, o primeiro e quarto situam-se nas espirais. As
tabelas 6.2 e 6.3 mostram a evolução dos índices e correspondentes valores da
carga que sobre elas circularam, em MTBT, para as curvas selecionadas.
Tabela 6.2: Comportamento dos índices (Curva”1”)
MTBT Distância 525+ 0 1,5 3,2 4,8 6,4 054 1596,7 1600,1 1600,3 1600,3 1602,1 159 1595,7 1599,4 1599,8 1600,3 1602,3 165 1599,8 1603,3 1603,8 1603,8 1605,8 P
O N
T O
S
255 1596,5 1600,3 1600,3 1601,5 1602,7
M E D I A 1599,7 1602,0 1602,7 1602,6 1603,5
DESVIO PADRÃO 5,0 5,1 4,9 5,1 5,1
55
Tabela 6.3: Comportamento dos índices - (Curva”2”)
MTBT Distancia: 525+ 0 1,5 3,2 4,8 6,4 627 1595 1599,2 1599,3 1602,5 1604,6 678 1598,6 1600,7 1600,9 1603 1604,1 786 1591,3 1593,7 1595,6 1599,3 1601,4 P
O N
T O
S
816 1595,6 1597,1 1599,3 1600,7 1602,6
M E D I A 1595,9 1598,7 1600,1 1599,4 1601,5
DESVIO PADRÃO 3,7 3,6 3,7 3,8 3,6
6.5 – Cálculos da estimativa das retas e seleção do índice mais adequado
Assim, com base nas medições efetuadas e utilizando-se as equações dos
parâmetros a e b deduzidas no capítulo anterior, estimam-se as equações das retas
que representam a evolução dos índices selecionados e seus respectivos
coeficientes de correlação R2 apresentados na tabela 6.4. e 6.5.
Tabela 6.4 – Equações estimadas para os índices da curva 1
Distancia: 525+
Equação R2
054 Y = 1596,6 + 1,1 X 0,7837 159 Y = 1595,3 + 1,41 X 0,8636 165 Y = 1599,6 + 1,25 X 0,8224 P
O N
T O
S
255 Y = 1596,2 + 1,36 X 0,8550
M E D I A Y = 1599,6 + 0,8304 X 0,8100
DESVIO PADRÃO Y = 4,9945 + 0,0143 X 0,0805
Tabela 6.5 – Equações estimadas para os índices da curva 2
Distancia: 525+
Equação R2
627 Y = 1593,4 + 2,25 X 0,9468 678 Y = 1597,5 + 1,33 X 0,9607 786 Y = 1588,5 + 2,58 X 0,9898 P
O N
T O
S
816 Y = 1593,8 + 1,75 X 0,9963 M E D I A Y = 1595,6 + 1,1866 X 0,8256
DESVIO PADRÃO Y = 3,7037 + 0,0092 X 0,0314
56
Conforme se pode constatar o índice que possui as curvas com maior R2 é o
ponto que apresenta maior variação absoluta no período monitorado. Portanto, suas
curvas deverão ser adotadas para estimar o momento da intervenção preditiva.
6.6 – Estabelecimento do Ponto Preditivo
O momento adequado da intervenção de manutenção preditiva (ponto preditivo)
de cada trecho em que se subdivide a via deverá ser determinado pela intercessão
da reta de estimação da degradação com a reta do valor crítico.
Para determinar quando deverá ocorrer a intervenção de manutenção, projeta-
se, utilizando a respectiva equação dos pontos, para estimar o valor acumulado da
carga, em MTBT, que provocará uma amplitude do parâmetro bitola igual a
1625mm e 1632mm, valores que correspondem aos limites de manutenção e
segurança. Assim estima-se, para o primeiro ponto da curva 1, que o valor do
parâmetro bitola atingirá o limite de manutenção quando a tonelada bruta
transportada alcançar o valor de 25,82 MTBT e só se tornará defeito, ou seja,
atingirá o valor do limite de segurança de 1632 mm, com 32,18 MTBT.
Seguindo o mesmo processo, calcula-se para os demais pontos das curvas 1 e
2 o valor acumulado da carga, em MTMB, para os quais a amplitude do parâmetro
bitola alcançaria os limites citados. A Tabela 6.6 e 6.7 apresenta os resultados.
Tabela 6.6: Projeção da carga acumulada,em MTBT, para os pontos da Curva 1
Posição Equação MTBT para 1625mm MTBT para 1632mm525+054 Y = 1596,6 + 1,1 X 25,82 32,18525+159 Y = 1595,3 + 1,41 X 21,06 26,03525+165 Y = 1599,6 + 1,25 X 20,32 25,92525+255 Y = 1596,2 + 1,36 X 21,18 26,32
57
Tabela 6.7: Projeção da carga acumulada,em MTBT, para os pontos da Curva 2
Posição Equação MTBT para 1625mm MTBT para 1632mm525+627 Y = 1593,4 + 2,25 X 14,04 17,15525+678 Y = 1597,5 + 1,33 X 20,68 25,94525+786 Y = 1588,5 + 2,58 X 14,15 16,86525+816 Y = 1593,8 + 1,75 X 17,83 21,83
Considerando os quatro pontos adotado para monitoração da curva, deve-se
adotar o menor valor da carga acumulada que provocará uma amplitude do
parâmetro bitola igual ao limite de segurança para determinação o momento da
manutenção preditiva.
Observando-se as projeções calculadas para os limites definidos, temos que a
intervenção deverá acontecer à passagem de 25,92 MTBT para a Curva 1 e 16,86
MTBT para a Curva 2, já que, neste momento, pelo menos um ponto da curva
ultrapassará o limite de segurança.
Se considerarmos a média mensal de produção do trecho nos 6 (seis) primeiros
meses do ano de 2006 como sendo 3,1 MTBT, pode-se considerar que o intervalo
entre intervenções deverá passar de 6 meses (momento em que a bitola ultrapassa
o Limite de Manutenção) para aproximadamente 9 meses (momento em que a
bitola ultrapassa o Limite de Segurança) na Curva 1 e de 4,5 meses para 5,5 meses
na Curva 2.
Esta estimativa pode não representar um ganho expressivo no curto prazo,
porém significa a redução do ciclo de manutenção de 20 intervenções em 10 anos,
para 13 intervenções no mesmo período para uma curva com as características da
Curva1. De uma forma mais modesta, para uma curva de características como a
Curva 2, o ciclo em 10 anos seria reduzido de 27 intervenções para 21 serviços em
bitola.
58
7- CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
A proposta da manutenção preditiva da Via Permanente neste trabalho vem
confrontar as teorias empíricas que levam em consideração o fator tempo como a
principal referência para a degradação da Via. O que é proposto aqui é uma
abordagem relacionada a tonelagem bruta circulante na superestrutura, dado que
este é o principal agente mensurável da degradação da Via. Sabe-se que as
intempéries ambientais e a qualidade dos materiais empregados na superestrutura
influenciam significativamente nos parâmetros analisados, porém foge do escopo
desta pesquisa este tipo de análise. Para efeito de definição do comportamento dos
parâmetros se considerou a via como homogênea, isto é, sem variação das
características da infra e superestrutura da via ao longo dos trechos estudados,
inclusive de seu estado de manutenção tais como capacidade de suporte da infra-
estrutura e dos dormentes, tirefonds e placas de fixação da superestrutura da via.
O estudo de caso mostra que a análise da evolução da abertura da bitola pode
ser executado com o emprego da técnica de Regressão Linear e do Método dos
Mínimos Quadrados demonstrando que se pode assumir que ela tem um
comportamento linear em relação à tonelagem circulante na superestrutura, para
determinar ponto de manutenção preditiva
Os intervalos entre intervenções aqui estimados mostram que é possível
postergar a manutenção em pelo menos um mês, desde que mantida a produção
média mensal de transportes no trecho, de 3,1 MTBT. Na prática, isso acarretaria
uma redução das despesas com manutenção preventiva e um maior
aproveitamento dos recursos disponíveis.
Embora de uma forma preliminar, o trabalho mostra a vantagem da adoção da
manutenção preditiva para a via permanente, sendo necessário, porém, uma
abordagem diferenciada no planejamento da manutenção através da segmentação
da via e de utilização de novas técnicas de análise. De forma mais robusta,
59
RODRIGUES (2001) mostra que a inter-relação entre a degradação da
superestrutura da via permanente ferroviária e seu nível de utilização pode ser
quantificada mais adequadamente a partir da segmentação da via em trechos que
considere suas características técnicas de implantação, manutenção e operação e a
partir dessa segmentação, o momento da intervenção de manutenção na
superestrutura da via permanente ferroviária pode ser determinado por um índice
que represente sua degradação para qualquer segmento da via, cuja inter-relação
entre seu valor relativo e o nível de produção possa ser avaliado de forma
estatisticamente robusta.
O veículo registrados das características da superestrutura da via permanente
ferroviária TrackSTAR é um equipamento mais adequado para monitoração da
qualidade da via em seguimentos de grande extensão. O desenvolvimento de um
sistema de gerenciamento da manutenção que esteja em conformidade com os
dados monitorados pelo veículo, possibilitará estimar a equação de degradação
cada trecho cadastrado e calcular além do ponto preditivo, o serviço mais adequado
a ser realizado no local.
Na MRS, a gerência de Via Permanente de Minas Gerais já desenvolve
trabalho semelhante, onde um controle simples de evolução, considerando somente
o tempo como fator de degradação da bitola, indica o momento em que deverá
acontecer a manutenção. Assim com base no acompanhamento histórico do último
serviço executado em um dado local (inversão de trilho, substituição de trilho,
correção de bitola ou consolidação da fixação), define como será a próxima
intervenção. Este procedimento facilita as estimativas da necessidade de material,
mão-de-obra e equipamento, e a elaboração da programação dos serviços de
manutenção da via permanente.
60
8 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABTUS, Limited. Eletronic Gauging Data-Logging Trolley ABT4370 . 2005.
Manual Equipamento de medição. 2005 DUVAL, Ernani. Curso de Via Permanente Ferroviária . 2001. 24 p. Ferrovia
Centro Atlântica, 2001 FONSECA, Jairo Simon da. Estatística aplicada por Jairo Simon da Fonseca,
Gilberto de Andrade Martins e Geraldo Luciano Toledo. 2.ed. São Paulo: Atlas, 1985.
HOLEMAKER. Trolley de medição de Via Permanente, Modelo TM50 Stanley, 2005.
[on line] Disponível http://www.holemaker.com.br LIMA, Henrique Alexandre Dourado. Procedimento para seleção de método de
manutenção para a superestrutura ferroviária . 1998. 123 p. Dissertação (Mestrado em Ciências em Engenharia de Transportes) – Instituto Militar de Engenharia,1998.
MUNIZ DA SILVA, Luiz Francisco. Fundamentos Teórico-experimentais da
Mecânica dos Pavimentos Ferroviários e Esboço de um Sistema de Gerência Aplicado à Manutenção da Via Permanente . 2002. 333 p. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, 2002.
RODRIGUES, Carlos Alceu. Contribuição ao Planejamento da Manutenção
Preditiva da Superestrutura Ferroviária . 2001. 260 p. Tese (Doutorado em Ciências em Engenharia de Transportes) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, 2001
SETTI, João Bosco. Curso de Geometria de Via Permanente . 2006. Instituto
Militar de Engenharia, Academia MRS, 2006.
61
ANEXO 1
ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DA SUPERESTRUTURA FERROVIÁRIA
– Tangente
Um fator crítico que deve ser considerado, diz respeito ao traçado da linha na
superfície do terreno onde a mesma está assentada. Os dois traçados que existem
são Curvatura e Tangente (reta).
Tangentes são segmentos de reta, partes integrantes da subdivisão do traçado
planimétrico da Via, que unem duas curvas, tangenciando-as em projeção
horizontal, conforme mostra a Figura A.1. No esquema, a tangente “T1” une a curva
“C1” à “C2”, enquanto a tangente “T2” une a curva “C2” à “C3”.
FIGURA A.1 – Planimetria geométrica
Fonte: Duval (2001)
- Curva Circular
A Figura A.1 mostra, ainda três exemplos de curvas circulares de raios
constantes: C1, C2 e C3. As curvas Circulares pode ser analisada e definida por
seus elementos principais, apresentados na Figura A.2, onde:
TC: Ponto Tangente Curva
CT: Ponto Curva Tangente
62
O trecho TC-b-CT é parte do desenvolvimento da curva e recebe o nome de
Circular;
As tangentes da curva a-TC e CT-c recebem a denominação de espiral;
R: Raio de curvatura;
AC: Ângulo central: também chamado Grau de Curva e dado pela relação (em
função de uma corda de 20 metros nesse caso):
••=
RG
π
018020
Logo:
=R
G92,1145
C: Corda da curva;
PI: Ponto de interseção;
f: Flecha. A flecha é determinada pela relação
( )2
22
2
+−= CfRR
Logo,
=
R
Cf
8
2
Sendo a curvatura K o inverso do Raio R, temos a flecha diretamente
proporcional à curvatura:
•=8
2 KCf
63
FIGURA A.2: Elementos de uma Curva Circular
Fonte: Duval (2001)
A medição das flechas de uma curva pode ser feita através dos relatórios dos
carros-controle ou gráficos gerados por alguma outra máquina/equipamento de Via
ou manualmente a partir das flechas medidas no ponto central da corda entre
estacas posicionadas em dois pontos distintos da curva.
A Figura A.3 exemplifica esta prática, considerando que as distâncias entre os
pontos adjacentes do ponto 1 ao 2, 2 a 3 e assim sucessivamente até o ponto n é
de 10 m. Usa-se esta convenção nas ferrovias brasileiras, onde o valor de
referência para a corda é de 20 metros.
FIGURA A.3: Medição da flecha da curva a partir de corda de 20 m
Fonte: Setti (2006)
64
O diagrama mostrado na Figura A.4 é a representação da curva, onde o eixo Y
indica o valor da curvatura K, (ou em alguns casos, o valor da Flecha f) e no eixo X,
a distância no plano horizontal.
FIGURA A.4: Diagrama da curva circular simples
Fonte: Setti (2006)
O raio da curva, quando apertado (pequeno) torna-se o principal parâmetro de
restrição de velocidade dos trens, já que acarretam grande resistência à circulação.
Inversamente ao raio, temos o desgaste dos frisos das rodas e dos trilhos externos
da curva, ou seja, menores raios acarretam maiores ângulos de ataque, o que em
conseqüência aumentam o desgaste no material.
Este realmente é um fator prejudicial na ferrovia. Todavia, em situações
topográficas adversas, as obras com curvas de grande raios são normalmente
muito onerosas. DUVAL (2001)
- Curvas com transição (espiral)
Na maioria dos casos, a curva apresenta uma transição entre a circular (de raio
e flechas constantes) e a tangente. Este parâmetro sugere que a inscrição na curva
seja feita de modo gradual, com raio variando de infinito (valor do raio na tangente)
até o valor R definido em projeto.
65
A transição é chamada também de “espiral de Van Leber”, referência ao
ferroviário holandês que primeiro a empregou. É também conhecida como “espiral
de Cornu” , “clotóide”.
A Figura A.5 exemplifica o traçado de uma curva com espiral, com os pontos
notáveis TE (tangente-espiral) e EC (espiral-curva)
FIGURA A.5 – Curva com transição (espiral)
Fonte: Setti (2006)
A espiral tem a variação de curvatura linear, de zero a K, enquanto o raio varia
de infinito a R. O diagrama na figura A.6 mostra o esquema no traçado horizontal da
curva com transição.
FIGURA A.6 – Diagrama da curva com transição
Fonte: Setti (2006)
Como a flecha é associada diretamente à curvatura, seu valor teórico também
varia linearmente.
66
- Curvas Compostas
DUVAL (2001) define as curvas compostas como: “São duas curvas de mesmo
sentido e diferentes raios (R1 e R2), com uma concordância entre elas próprias sem
que haja uma tangente intermediária”.
FIGURA A.7 – Curva composta (representação e diagrama)
Fonte: Setti (2006)
As curvas compostas podem ser com ou sem transição, com uma sutil diferença
de flechas até a circular seguinte. O diagrama na Figura 2.8 apresenta a
representação gráfica desta situação:
FIGURA A.8 – Diagrama de uma curva composta com espiral
Fonte: Setti (2006)
67
- Curva Reversa
Uma curva reversa é formada por duas curvas de sentidos contrários, de raios
R1 e R2 com uma concordância entre elas. Da mesma forma como acontece nas
curvas compostas, a curva reversa pode ou não apresentar transição, como é
apresentado nas Figuras A.9 e A.10:
FIGURA A.9: Curva Reversa sem espiral
Fonte: Setti (2006)
(a)
(b)
FIGURA A.10: Curvas reversas com espiral: (a) sem tangente intermediária (b) com
tangente intermediária Fonte: Setti (2006)
68
DUVAL (2001) considera que uma curva reversa não admite a ocorrência de
uma tangente entre as circulares. Já SETTI (2006) considera que a ocorrência da
tangente pode também formar uma curva reversa.
– Superelevação
Denomina-se superelevação a diferença de cota vertical entre os trilhos de uma
linha em curva. Ela acontece com a elevação do trilho externo da curva, em um
valor definido em função do raio da curva e da velocidade máxima dos trens
naquela curva, conforme ilustrado na Figura A.11.
FIGURA A.11: Superelevação
Fonte: Duval (2001)
Em tangente, os trilhos devem se apresentar em nível, com superelevação zero
(S=0). Na espiral, a superelevação cresce uniformemente, desde o valor zero, no
ponto que começa a curva de transição (TE), até o valor final, no início da curva. O
trilho externo assume inclinações crescentes e gradativas (S = S1). Na curva
69
circular a superelevação será constante, igual a S2 para decrescer na curva de
transição seguinte, uniformemente, até o valor zero, o ponto onde
inicia-se nova tangente (ET).
Segundo DUVAL (2001), as principais funções da superelevação na linha são:
• Produzir uma melhor distribuição de cargas em ambos os trilhos;
• Reduzir os defeitos superficiais e desgastes dos trilhos e materiais rodantes;
• Compensar parcial ou totalmente o efeito da força centrífuga com redução de
suas conseqüências.
- Cálculo da superelevação
Um veículo que se inscreve numa curva fica sofre a ação da força centrífuga.
DUVAL (2001) afirma que a intensidade desta força é função da velocidade do
veículo (v) e do raio de curva (R), conforme:
CC AmF •=
sendo:
R
vAC
2
=
logo :
R
vmFC
2
•=
onde:
Fc = força centrífuga;
m = massa do veículo
Ac = aceleração centrífuga exercida pela roda sobre o trilho, de mesma intensidade
da aceleração centrípeta, em m/s2
v = velocidade do veículo em m/s.
R = raio da curva em m.
70
A Figura A.12 representa um vagão trafegando em uma linha em curva com
uma superelevação correspondente ao ângulo α. Com isso, deduz-se que:
FIGURA A.12: Representação de um veículo trafegando em curva
Fonte: Duval (2001)
αα cos
P
sen
FC =
Onde:
Fc = força centrífuga
P = peso do veículo
Como α é um ângulo muito pequeno pode-se considerar que cos α = 1, logo:
CFsenP =• α
Como:
R
VmFC
2
•= e B
hsen =α
Onde:
h = superelevação
71
B = distância entre eixos dos trilhos
R
Vm
B
hP
2
•=
•
R
VBh
m
P 2
•=•
como P/m = g (aceleração da gravidade = 9,81 m/s2)
gR
VBh
••=
2
como 6,33600
1000 VVv =•= (para: “V” em m/s e “ v” em Km/h)
tem-se que:
R
vB
gR
v
Bh•
•=•
•=127
6,3 2
2
para h, B, R em metros e v em km/h
Este é o valor teórico para o cálculo da Superelevação, mas na prática adotam-
se valores distintos. Como na prática os trens não operam sempre a uma
velocidade diretriz, DUVAL (2001) afirma que passa a ser necessário se “adotar um
critério de cálculo da superelevação no sentido de se obter uma melhor situação de
compromisso entre os trens leves (rápidos) e os trens pesados (lentos)”. Nesse
sentido algumas ferrovias adotam critérios como 2/3 do valor teórico.
Em curvas compostas calcula-se a superelevação para cada raio, considerando-
se a mesma velocidade, respeitando-se o valor limite e os mesmos critérios de tipos
de trens em tráfego. (SETTI, 2006)
72
– Rampa de Superelevação
Na espiral, onde os valores de curvatura e de flecha variam linearmente, aplica-
se a rampa de superelevação. Sendo a Superelevação um parâmetro do plano
vertical da geometria, graficamente a rampa de superelevação se torna
“equivalente” a uma espiral no plano horizontal, como mostra a Figura A.13. Nota-
se, porém que agora são representados os trilhos externo e interno.
FIGURA A.13: Diagrama de representação da superelevação
Fonte: Setti (2006)
– Superlargura
A função “guia” que a bitola exerce sobre o material rodante, ao contato dos
frisos das rodas sobre a lateral interna dos trilhos, exige uma folga denominada
“Jogo de Bitola” entre o friso e o trilho, conforme Figura A.15, de DUVAL(2001),
onde:
J = jogo de bitola;
b = bitola da linha;
A = bitola do material rodante (E+F);
E = cota de eixamento;
F = espessura do friso.
73
FIGURA A.14: Jogo de Bitola
Fonte: Duval (2001)
Em curvas de Raio muito apertado (pequeno) e truques maiores, como os de
locomotivas (três eixos), o jogo de bitola pode ser insuficiente, comprometendo o
livre rolamento do material rodante inscrição, exigindo que seja reduzido o valor de
“A” ou do próprio truque. Porém, a alternativa mais comum é o aumento da bitola da
via nas curvas de raio apertado. Este incremento na bitola é chamado Superlargura.
A MRS, no passado, utilizava superlargura em curvas de raio menor que 300
metros no trecho da Serra do Mar, no estado do Rio de Janeiro. Este recurso foi
abolido na companhia e substituído pelo esmerilhamento e lubrificação do trilho
externo, no sentido de reduzir o atrito provocado pelo contato roda trilho dos
veículos na curva e assim reduzir o desgaste. Na MRS a superlargura adotada era
de 1610mm em curvas de raio abaixo de 300 metros.
