411 Aula 6 Trilhos
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SUPERESTRUTURA FERROVIÁRIA:
TRILHOS
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA – DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE
PRODUÇÃO E TRANSPORTES
Disciplina: Infra-estrutura Ferro-hidro-aero-dutoviária
(ENG 09030)
Prof. Fernando Dutra MICHEL
É um perfil metálico de seção especial,
destinado a formar a pista de rolamento dos
veículos ferroviários.
Os trilhos funcionam como vigas elásticas
que servem como suportes diretos e guias
das rodas.
1. FUNÇÕES
Seção com momento de inércia elevado para
resistir aos esforços de flexão.
Inicialmente em “duplo T”, evoluindo para o Vignole
1. FUNÇÕES
Seção do trilho Vignole com e sem friso
Friso para aplicação em
trens de superfície,
permite encaixe com a via
O perfil fabricado no Brasil é o Vignole e é formado por
patim, alma e boleto
1. FUNÇÕES
PATIM
ALMA
BOLETO
BOLETO: deve ser “maçudo” o suficiente para que o
desgaste não afete o Momento de Inércia da seção.
ALMA: deve possuir altura suficiente para resistir à flexão.
Quanto maior a alma, maior a distância do boleto e do patim
com relação à linha neutra da seção. Quanto mais a massa
do trilho estiver concentrada no boleto e no patim, mais
resistente este trilho será à flexão. Entretanto, deve-se
conservar uma espessura mínima na alma capaz de garantir
adequada resistência e rigidez transversal. Tal espessura
leva ainda em consideração o desgaste provocado pela
corrosão atmosférica.
1. FUNÇÕES
PATIM: não deve ser muito fino, garantindo dessa forma que
a alma continue perpendicular ao dormente (ou placa de
apoio) durante as solicitações transversais (em curvas, por
exemplo). Se não possuir espessura adequada, pode
acumular deformações permanentes ao longo da vida útil e
provocar acidentes.
1. FUNÇÕES
Assim como na alma, a espessura de fábrica do patim deve
prever a diminuição da mesma com o tempo devido a ação da
corrosão.
Ferro: Aproximadamente 98% da composição do trilho.
Elemento básico do aço que fornece suas principais
qualidades (maleabilidade, resistência a flexão, etc.)
Carbono: Proporciona maior dureza ao aço. Se o percentual
for muito alto, torna o aço quebradiço (0,5 – 2%)
Manganês: Encarece muito o preço do aço, sendo utilizado
apenas nos aço-liga. Também tem a característica de
aumentar a dureza do aço.
Fósforo e Enxofre: Elementos indesejáveis no aço. O
primeiro torna o aço quebradiço, e o último forma as
segregações na microestrutura do aço.
Composição do aço para trilhos
O perfil Vignole tem as seguintes especificações:
Tipo Peso (kgf/m)
TR-68 67,56
TR-57 56,9
TR-50 50,35
TR-45 44,65
TR-37 37,11
TR-32 32,05
TR-25 24,65
1. FUNÇÕES
Maior resistência no suporte de cargas = TR-68
- resistência
+ resistência
Comprimento padrão: 10, 12 ou 18 metros
Prova de choque: Peso de 907,2 kg em queda livre sobre o
trilho apoiado
Especificações
Ensaio de dureza: Dureza Brinell (Esfera pressionada contra
o trilho a uma força de 3 ton – superfície imprimida) Relação
entre Carga/Area de imprimação
Ensaio Macrográfico: Aplica-se reativo que vai corroer o aço.
O exame de simples vista indica defeitos em sua distribuição
Especificações
Ensaio de Entalhe e Fratura: Esamina-se a fratura do corpo
de prova. Observa-se trincas, esfoliações, cavidades, matéria
estranha brilhante e classifica-se o trilho
Avarias nos Trilhos
ORIGINADAS DA FABRICAÇÃO
VAZIOS: ocorre na fase de solidificação do
trilho, causando um vazio na parte superior
do lingote. É um defeito grave, pois diminui
bastante a resistência da peça.
SEGREGAÇÃO: consiste na localização
de impurezas no centro do lingote.
Prejudicam as qualidades mecânicas do
lingote, podendo ser causa de fissuras e
fendas.
INCLUSÕES: inclusões não metálicas
aparecem no aço provindas de diversas fontes.
São perigosas pois causam uma fenda interna
na peça, que dificilmente será descoberta.
FISSURAS TRANSVERSAIS: pequenas
cavidades formadas no final da laminação que
podem dar origem, quando o trilho estiver sob
carga, a uma fatura. Estas fissuras têm origem
na parte interna do boleto se propagando
então para o exterior.
DEFEITOS DE LAMINAÇÃO: causados no final da
laminação, são perceptíveis a olho nu e não têm influência
na segurança.
Avarias nos Trilhos
AVARIAS ORIGINADAS EM SERVIÇO
DEFORMAÇÃO DOS PONTOS: devido a
choques e flexões nas juntas em virtude do
desnivelamento dos dormentes. Causa uma
deformação permanente deixando os pontos
dos trilhos mais baixos. Pode causar também
fraturas junto aos furos se os dormentes das
juntas não estiverem bem nivelados.
AUTO TÊMPERA SUPERFICIAL: causado pelo aquecimento e
rápido resfriamento dos trilhos. Origina fissuras superficiais que
eventualmente podem se propagar para o interior do trilho.
DESGASTE DO TRILHO POR ATRITO: ocorre principalmente
em curvas devido ao atrito dos pisos das rodas..
Avarias nos Trilhos
DESGASTE ONDULATÓRIO: originado pelas vibrações
produzidas nos trilhos durante a passagem do veículo. Não
acarreta perigo, mas torna o trilho excessivamente ruidoso.
FRATURAS: causadas principalmente por
defeitos internos ou envelhecimento do
trilho.
Avarias nos Trilhos
Trilho nº 1: Trilho isento de qualquer defeito
Trilho nº 2: Trilho que contém imperfeições de superfície de
caráter tolerável.
Trilho X: Trilho que não passou no ensaio de entalhe e fratura
Classificação dos trilhos
(ASTM – American Society for Testing Materials)
Uso no assentamento de vias segundo a classificação
• trilhos n 1: podem ser assentados em qualquer via;
• trilhos n 2: podem ser assentados em qualquer via menos em:
a) Curva de raio inferior a 400m;
b) túnel;
c) ponte;
d) aparelho de mudança de via (AMV);
e) travessão;
f) cruzamento;
g) conexão com os aparelhos mencionados de d até f.
• trilhos X: só podem ser assentados em via acessória, desvios e
como contra-trilhos de passagem de nível, de obra de arte ou de
curva.
3. CLASSIFICAÇÃO
De fabricação
• vazio: bolsas de ar, formadas durante processo de resfriamento
• segregações: presença de fósforo e enxofre na composição
química
• inclusões: presença de impurezas provenientes da escória do
forno, da soleira de revestimento e da panela
• fissuras transversais: pequenas cavidades formadas na
laminação, que podem ocasionar a fratura do trilho quando este
está em serviço, submetido aos esforços
• defeitos de laminação: não influem na segurança, são pequenas
rebarbas, ondulações e pregas no acabamento do trilho
Defeitos dos trilhos
Avarias originadas em serviço
• Deformação das pontas: nas juntas é comum ocorrer a
deformação das pontas dos trilhos
• Autotêmpera superficial: causada pela fricção das rodas que
eleva a temperatura do trilho, que quando se esfria em contato
com o ar forma fissuras (“pele de cobra”)
• Escoamento do metal da superfície do boleto: deformação
devido ao martelamento das cargas
• Desgaste por ação química: maresia, mercadorias
transportadas como enxofre, sal, carvão, etc.
• Desgaste por atrito: devido ao contato da roda, principalmente
nas curvas
• Desgaste ondulatório: originada pelas vibrações na via
• Fratura: originadas por defeitos internos ou pela fadiga
do metal
Defeitos dos trilhos
Permitem aumentar a vida útil dos trilhos
• Tratamento térmico dos trilhos: envolve aquecimento e
resfriamento gradual, para melhorar a composição química do
aço
• Aços especiais: são aços-liga com adição de cromo, manganês,
e carbono desenvolvidos a partir do desenvolvimento
tecnológico da siderurgia do aço.
• Aumentam consideravelmente a resistência à tração, limite de
escoamento e dureza do aço
Trilhos Especiais
Ângulo beta igual a 60º
• Trilho inclinado 1:20 (na vertical)
• Beta menor que 60º facilita subida dos trilhos (descarrilhamento)
• Beta maior que 60º facilita a roda subir nas juntas
Seção transversal dos trilhos
• Relações entre dimensões e seção transversal
Seção transversal dos trilhos
• Em função dos desgastes do trilho especificam-se suas
dimensões para que tenham vida útil maior
2. PERFIL DOS TRILHOS
DIMENSÕES mm
Vignole
TR ASCE kg/m A
mm
B
mm
C
mm
D
mm
F
mm
G
mm
H
mm
E
mm SO X
MÓDULO
RESISTÊNCIA cm3
BOLETO PATIM
25 5040 24,6 98,4 98,4 54,0 11,1 68,3 3,1 43,7 139,7 25,4 81,6 86,7
32 6540 32,0 112,7 112,7 61,1 12,7 68,3 3,1 50,0 139,7 25,4 120,8 129,5
37 7540 37,1 122,2 122,2 62,7 13,5 68,3 3,1 53,8 139,7 28,6 149,1 162,9
45 9020** 44,6 142,9 130,2 65,1 14,3 68,3 3,1 65,5 139,7 28,6 16 205,6 249,7
50 10025* 50,3 152,4 136,5 68,2 14,3 68,3 3,1 68,7 139,7 28,6 16 247,4 291,7
57 11525* 56,9 168,3 139,7 69,0 15,9 88,9 3,1 73,0 152,4 28,6 40 295,0 360,7
68 135 RE* 67,6 185,7 152,4 74,6 17,4 88,9 3,1 78,6 152,4 28,6 40 391,6 463,8
2. PERFIL DOS TRILHOS
Comprimentos e áreas da seção transversal
• o comprimento padrão dos trilhos é de 12 m;
• é possível solicitar a entrega de trilhos curtos. Neste caso o
comprimento está compreendido entre 11,7 m e 7,8 m, variando
de 30 em 30 cm;
• também é possível o fornecimento de trilhos com
comprimento de 18 m.
TR-37 TR-45 TR-50 TR-57 TR-68
Área 19.87 20.58 24.51 25.22 31.35
% do total 42.0% 36.2% 38.2% 34.7% 36.4%
Área 9.94 13.68 14.52 19.68 23.35
% do total 21.0% 24.0% 22.6% 27.1% 27.1%
Área 17.48 22.64 25.16 27.68 31.42
% do total 37.0% 39.8% 39.2% 38.1% 36.5%
47.29 56.9 64.19 72.58 86.12
Patim
Área total
Área
Tipo do trilhoCaracterísticas
Boleto
Alma
4. ESPECIFICAÇÃO DE FORNECIMENTO
(cm²)
Vida útil pela área da seção transversal
•Unisteel Contorograph (espécie de
Pantógrafo)
Controle da seção dos trilhos
•Aparelho de Ritcher
•Moldes de gesso
• a ligação entre duas barras de trilho pode ser feita por
meio de talas de junção de 4 ou 6 furos ou por meio de
soldas (elétricas, a oxigênio ou aluminotérmica);
• no caso da ligação por talas, cada TR utiliza a tala de
junção (TJ) correspondente:
4 furos 6 furos
TJ-37 9,35 14,04
TJ-45 14,03 21,09
TJ-50 15,17 22,81
TJ-57 16,48 24,71
TJ-68 17,1 25,6
Massa (kg)Tipo
5. LIGAÇÕES
Ligação dos trilhos (talas de junção)
TJ Kg E H J L J1 L1 PO K
4 6
25 5,8 139,7 139,7 95,2 609,5 22,2 28,6
32 8,4 139,7 139,7 95,2 609,5 22,2 28,6
37 9,4 14,0 139,7 139,7 95,2 609,5 108 914,5 25,4 31,7
45 14,0 21,1 139,7 139,7 95,2 609,5 108 914,5 27,0 35,7
50 15,2 22,8 139,7 139,7 95,2 609,5 108 914,5 27,0 35,7
57 16,5 25,0 152,4 181,0 61,9 609,5 61,9 914,5 27,0 35,7
68 17,1 25,6 152,4 181,0 61,9 609,5 61,9 914,5 27,0 35,7
5. LIGAÇÕES
Tala de junção plana
Flat joint-bar
Eclisa plana
Tala de junção angular
Angle-bar
Eclisa angular
Ligação dos trilhos (talas de junção)
5. LIGAÇÕES
Ligação dos trilhos (talas de junção)
• nas ligações feitas por talas de junção, é necessária a
inserção de uma folga entre os topos dos trilhos dada da
seguinte forma:
Mínima Máxima Trilho 12m Trilho 18m
-3 10 4,8 6,35
11 24 3,2 3,97
25 38 1,5 1,5
38 - unidos unidos
Temperatura Folga na junta (mm)
5. LIGAÇÕES
JUNTAS DE DILATAÇÃO
• Junção entre dois trilhos
onde um constitui uma agulha
e o outro uma contra agulha
• Apoiadas sobre os mesmos
dormentes
• Forjadas em Z
• Custo mais elevado
5. LIGAÇÕES
SOLDAS
O emprego dos trilhos longos oferece vantagens de
ordem técnica e econômica. As juntas, como sabemos, são
os pontos fracos da via, pontos iniciais dos mais graves
defeitos da linha e que ocasionam maior número de
acidentes no tráfego. Assim o emprego deste tipo de trilho
acarreta economia dos matérias dessas juntas e reduz os
gastos da conservação da via.
5. LIGAÇÕES
Solda aluminotérmica diretamente na linha
A foto tirada no trecho da "rota do calcário" entre Arcos (MG) e Barra Mansa(RJ)
mostra a hora que se aquece as pontas dos trilhos.
Trata-se de um processo que envolve uma
reação do alumínio com o óxido metálico,
dando como resultado o metal envolvido e
o óxido de alumínio, com liberação de calor.
O processo produz coalescencia de metais
pelo aquecimento dos mesmos.
Para aplicações em soldagem, o metal de
enchimento é obtido do metal liquido
que se forma na reação química.
Ligações nos TLS
• nas linhas onde são empregados os TLS (trilhos longos
soldados) as barras podem atingir comprimentos que vão de
estação a estação só sendo interrompidas junto aos AMV’s;
• não existe uma norma específica quanto a medida da folga
entre dois TLS consecutivos.
• é comum adotar para barra de 60 a 250 metros uma folga de
9,53mm para o intervalo de –3°C a +10°C, de 6,53mm para
+11°C a +24°C, de 2,38mm para +25°C a +38°C e topados para
temperaturas superiores a +38°C;
5. LIGAÇÕES
Ligações nos TLS
• nos TLS a parte central não sofre nenhum movimento por
efeito da variação de temperatura;
• os TLS deverão ser tão longos quanto possível, a fim de não
só diminuir as zonas de folga, que representam pontos
instáveis, como também suprimir as talas de junção que são
pontos fracos da via;
• os TLS podem ser assentados nas tangentes e curvas de raio
maior que 500m para bitola larga e raio maior que 400m para
bitola estreita. Em linhas com dormentes de concreto é
permitido o uso de TLS em curvas com raio inferior aos
limites.
5. LIGAÇÕES
• as EF adotam fórmulas para o cálculo do peso do trilho
por metro, necessário para suportar uma determinada
carga;
• uma das mais utilizadas é a que se baseia na experiência
ferroviária alemã. A expressão é a seguinte:
max5,4
ePkkkg dvs
6. DIMENSIONAMENTO
Onde:
g é o peso do TR em kgf/m;
Ks é um coef. para as cargas estáticas, que depende do afastamento
das cargas e cujo valor é:
• 0,290 para um eixo isolado;
• 0,240 para eixos extremos;
• 0,190 para eixos intermediários;
Kv é o coef. dinâmico ( o mesmo utilizado para o cálculo da pressão
no lastro). Deve-se considerar o valor mínimo igual a 1,4;
Kd é o coef. que considera os esforços horizontais, tendo os
seguintes valores:
• 1,3 para veículos tratores;
• 1,15 para veículos rebocados;
max é a tensão máxima admissível do aço utilizado no trilho.
6. DIMENSIONAMENTO
max5,4
ePkkkg dvs
• A fixação dos trilhos aos dormentes de qualquer tipo pode
ser executada com ou sem interposição de placas de apoio;
• As placas de apoio são peças de aço interpostas entre o
patim do trilho e o dormente, principalmente nos dormentes
de madeira, com a finalidade de distribuir melhor a carga do
trilho e, assim aumentar a sua vida útil;
7. FIXAÇÃO DOS TRILHOS
FIXADORES
FIXAÇÃO RÍGIDA
• Reduz a vida útil dos dormentes
7. FIXAÇÃO DOS TRILHOS
7. FIXAÇÃO DOS TRILHOS
FIXAÇÃO ELÁSTICA
• A placa de apoio recebe a
sigla PA. É designada de
acordo com o trilho que irá
receber:
Comprimento Largura
PA-37 3,2 228,6 152,4
PA-45 3,8 254 158,8
PA-50 5,3 266,7 196,9
PA-57 8,9 330,2 196,9
PA-68 13,9 406,4 196,9
Dimensões (mm)Tipo Massa (kg)
7. FIXAÇÃO DOS TRILHOS
Tipo Comp.
mm
Largura
mm
Peso p/
Placa Kg
Diâmetro
Furo
Nº de
Furos
PA-25 228,6 152,4 3,2 19 3
PA-32 228,6 152,4 3,2 19 3
PA-37 228,6 152,4 3,2 19 3/4
PA-45 254,0 158,8 3,8 19 3/4
PA-50 266,7 196,9 5,3 19 3/4
PA-57 330,2 196,9 8,9 Ø23,8 6
PA-68 406,4 196,9 13,9 Ø23,8 6
Fixação dos
dormentes (placa de
apoio)
7. FIXAÇÃO DOS TRILHOS
8. VIDA ÚTIL
• A vida útil é limitada pelo desgaste do trilho ou pela ruptura por
fadiga decorrente do carregamento cíclico.
• Geralmente o desgaste é o fator limitante que ocorre primeiro.
• O desgaste é decorrente da ação mecânica entre a roda e o
trilho, que podem ou não possuir a mesma dureza. A rapidez com
que surge o desgaste é função do raio das curvas e do peso da
carga transportada pelos veículos. O limite geralmente
estabelecido para o desgaste é de 25% da área total do boleto
(seção transversal).
• A fadiga é o fenômeno que leva o trilho à ruptura mesmo
quando solicitado com uma tensão menor que a de ruptura. Isso
acontece devido ao acúmulo de rearranjos dos cristais do metal
que ocorrem a cada ciclo de solicitação. As passagens
intermitentes do trem ao longo dos anos constituem um
carregamento cíclico que pode levar o trilho à ruptura por este
fenômeno.
A vida útil é função do Raio das
Curvas
Raio (m)
Infinito
1747
873
562
437
349
291
250
175
%
100
95
80
70
60
55
50
40
35
8. VIDA ÚTIL
Vida útil a ser esperada de diferentes
PERFIS
Perfil Bitola Ton.
TR 37 1.00 127 x 106
TR 45 1.00-1.60 193 x 106
TR 57 1.60 290 x 106
8. VIDA ÚTIL
9. SUPERESTRUTURA FERROVIÁRIA
Trilho-guia para teste: Maglev no Japão
Trem voador Maglev levita a 10 centímetros do solo. A tecnologia deste trem
é baseada na energia magnética criada pelos grandes ímãs instalados no
trem. Os trens ultrapasam 500 km/h.
exercícios Uma estrada de ferro com extensão de 200km será construída em bitola larga para escoar a produção de minério de ferro. Determine a altura da camada de lastro necessária sob os dormentes. Faça também a representação da seção tipo e determine o volume de material necessário para a execução da obra.
Carga total por vagão= 119000kg
Velocidade operacional= 70km/h
Número de eixos por veículo = 4
Distância entre eixos = 2m
CBR plataforma = 18,5%
Coeficiente NS = 5,5
Soca = 40cm para cada lado do eixo dos trilhos
Ombreira 30cm
Espaçamento entre dormentes = 55cm = 1820 dorm/km
Dimensões do dormente 2,8 x 0,24 x 0,17m
Inclinação talude = 1:1,5
Fator majoração sobre a compactação = 10%
e = 55 cm (dado no exercício)
Ks = 0,24 (dado)
Kd = 1,15 (rebocado)
Sigma = 1500kg/cm² (dado)
max5,4
ePkkkg dvs
Tipo Peso (kgf/m)
TR-68 67.56
TR-57 56.9
TR-50 50.35
TR-45 44.65
TR-37 37.11
TR-32 32.05
TR-25 24.65
G = 0,24*1,4*1,15*((14875*55)/(4,5*1500))
= 46,8 kg/m
P = 14875 kg (calculado)
Kv = 1,4 (calculado)
Determine a altura da camada de lastro para um EF de bitola estreita e 350km de extensão destinada ao transporte de produtos agrícolas e carga geral. Represente a seção tipo e determine o volume de material necessário.
Carga total por vagão= 90.000kg
Velocidade operacional= 70km/h
Número de eixos por veículo = 4
Distância entre eixos = 1,574m
CBR sublastro = 30%
Coeficiente NS = 5,5
Soca = 30cm para cada lado do eixo dos trilhos
Ombreira 30cm
Espaçamento entre dormentes = 55cm – 1820 dorm/km
Dimensões do dormente 2 x 0,22 x 0,16m
Inclinação talude = 1:1,5
Fator majoração sobre a compactação = 10%
e = 55 cm (dado no exercício)
Ks = 0,24 (dado)
Kd = 1,15 (rebocado)
Sigma = 1500kg/cm² (dado)
max5,4
ePkkkg dvs
Tipo Peso (kgf/m)
TR-68 67.56
TR-57 56.9
TR-50 50.35
TR-45 44.65
TR-37 37.11
TR-32 32.05
TR-25 24.65P = (calculado)
Kv = 1,4 (calculado)
G = 35,42 kg/m
Determine a altura da camada de lastro para uma EF de bitola larga destinada ao tráfego de trens urbanos de passageiros. O trecho tem extensão de 50km. Também representar a seção tipo e determinar a quantidade de material para o lastro.
Carga total por vagão= 90.000kg
Velocidade operacional= 85km/h
Número de eixos por veículo = 4
Distância entre eixos = 2m
CBR plataforma = 17%
Coeficiente NS = 5,5
Soca = 40cm para cada lado do eixo dos trilhos
Ombreira 30cm
Espaçamento dormentes = 60cm 1667 dorm/km
Dimensões do dormente 2,8 x 0,24 x 0,17m
Inclinação talude = 1:1,5
Fator majoração sobre a compactação = 10%
P = (calculado)
e = 60cm (dado no exercício)
Ks = 0,24 (dado)
Kv = 1,4 (calculado)
Kd = 1,15 (rebocado)
Sigma = 1500kg/cm² (dado)
G = 38,64 kg/m
max5,4
ePkkkg dvs
Tipo Peso (kgf/m)
TR-68 67.56
TR-57 56.9
TR-50 50.35
TR-45 44.65
TR-37 37.11
TR-32 32.05
TR-25 24.65