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COURSE - UM CONTRIBUTO PARA A AVALIAÇÃO ESTRUTURAL EM CONTÍNUO DE VIAS-FÉRREAS

Eduardo Fortunato 1, André Paixão 1, Paulo Morais 2, Carlos Santos 2, João Morais 2, Francisco Asseiceiro 3, Paula Alvarenga 3, Luís Gomes 3

1 Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Departamento de Transportes, Avenida do Brasil 101, 1700-066, Lisboa, Portugal

email: efortunato@lnec.pt http://www.lnec.pt 2 Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Centro de Instrumentação Científica, Avenida do Brasil 101, 1700-066, Lisboa, Portugal 3 Mota-Engil, Engenharia e Construção. S.A., Rua Rego Lameiro 38, 4300-454, Porto, Portugal

Sumário

Neste trabalho apresentam-se resultados de um projeto de investigação no âmbito do qual se desenvolveu e aplicou uma abordagem inovadora para avaliação do desempenho da via-férrea, que contribui para identificar as causas das disfunções da via, considerando aspetos relativos à resposta estrutural da interação dinâmica do sistema via-veículo. Descreve-se o sistema protótipo que foi desenvolvido e apresentam-se alguns resultados obtidos, quer no âmbito da calibração laboratorial do sistema, quer num trecho experimental de uma via-férrea em serviço, os quais permitiram validar o método proposto.

Palavras-chave: Via-férrea; Monitorização em contínuo; Sistema de medição; Rigidez.

1 INTRODUÇÃO

Ao longo da vida útil da via-férrea, esta sofre degradação da sua geometria inicial, em grande parte devido a passagens sucessivas de veículos, mas também devido a fenómenos relacionados com o comportamento plástico e de rotura de alguns dos materiais sob a ação das solicitações. Na prática, o posicionamento dos carris deixa de ser o mais adequado e surgem, por exemplo, defeitos de geometria que afetam negativamente o desempenho deste sistema de transporte. A degradação da via-férrea resulta do complexo comportamento desta estrutura e depende de inúmeros fatores, que variam no tempo e no espaço, relativos à substrutura, à superstrutura e à interação dinâmica entre a via e os veículos que sobre ela circulam, a diferentes velocidades e com distintas cargas por eixo.

A manutenção da via-férrea é uma das vertentes da atividade de gestão de infraestruturas ferroviárias que mais influi no desempenho técnico e económico deste sistema de transporte, quer porque envolve avultadas verbas, quer porque tem impactos significativos na disponibilidade da linha. Uma adequada gestão da manutenção deve permitir a tomada de decisão apoiada em evidências, utilizando o conhecimento sobre a degradação e falhas dos ativos, para otimizar as intervenções. No caso da via-férrea, é prática comum suportar o planeamento de ações de manutenção nos resultados da observação da condição da infraestrutura, por exemplo recorrendo a inspeções visuais e a veículos de auscultação da geometria da via.

Apesar da abordagem tradicional de avaliação da condição da via-férrea – por exemplo com base na série de normativos Europeus EN 13848[1] – ser bastante eficaz na identificação de locais que afetam negativamente o desempenho funcional e estrutural, em geral ela não permite obter informação útil sobre as causas que conduziram a essa redução de desempenho. Consequentemente, o planeamento das ações de manutenção tende a apresentar uma vertente mais corretiva e menos preventiva e preditiva, sem contemplar abordagens mecanicistas, o que condiciona negativamente a eficiência da gestão da infraestrutura.

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Na tentativa de melhorar os métodos de avaliação da condição da via-férrea, alguns autores têm proposto que a análise da qualidade geométrica da via, em particular para defeitos periódicos de menor comprimento de onda (inferior a 1,0 m), se faça não apenas com base na comparação entre os valores dos parâmetros geométricos usualmente medidos e os valores máximos estabelecidos para os mesmos, mas que contemple, também, a resposta dinâmica dos sistemas, nomeadamente a interação veículo-via, em função das características físicas e mecânicas dos elementos (via e veículo) e da velocidade de circulação [2].

Em paralelo, ao longo das últimas décadas, tem-se vindo a assistir a um aumento do interesse por parte do meio técnico-científico no que se refere à medição da deflexão vertical da via-férrea, resultante da aplicação de solicitações verticais, e à avaliação da respetiva rigidez vertical. Este parâmetro é um importante indicador do comportamento estrutural da via-férrea, por corresponder à capacidade de oposição à deformação vertical de toda a estrutura ferroviária. A rigidez vertical da via influencia a capacidade de carga desta (característica do estado estrutural, associada à capacidade de suportar as ações devidas ao tráfego futuro) e o comportamento desta face à passagem de veículos. De certa forma, a influência que esta variável tem no agravamento da componente dinâmica da solicitação dos veículos torna-a parcialmente responsável por desencadear e por determinar a taxa de desenvolvimento do processo de degradação da qualidade geométrica da via. Por esse motivo, a rigidez vertical da via apresenta uma importância relevante no que se refere aos custos de manutenção, como tem vindo a ser salientado por alguns estudos recentes desenvolvidos na Europa [3-5].

Considerando as limitações dos métodos atuais, o Projeto COURSE, que agora se apresenta, visou conceber, desenvolver e demonstrar a aplicabilidade de uma abordagem inovadora e integrada de avaliação do desempenho da via-férrea que também contribua para identificar as causas das disfunções da via, tendo em consideração aspetos relativos à resposta estrutural da interação dinâmica do sistema via-veículo.

Em relação a alguns métodos que têm sido propostos para avaliar determinados parâmetros relacionados com o desempenho da via-férrea, mas que praticamente não são utilizados, o método que se desenvolveu neste Projeto tem como grande vantagem o facto de ser um método integrado, que possibilita a avaliação em contínuo de parâmetros funcionais e estruturais da via-férrea, sem perturbar a operação ferroviária e de forma muito eficiente. O equipamento e o software em que se baseia o método são de grande versatilidade no que se refere à forma de operar. Desta forma, é possível obter informação muito relevante que permite tornar mais eficiente a gestão da manutenção da infraestrutura ferroviária.

Concretamente, desenvolveu-se um sistema protótipo, embarcado num veículo autopropulsionado, que permite: i) a avaliação da variação da rigidez vertical da via-férrea em toda a sua extensão; ii) a deteção de perturbações na interface de contato dinâmico entre os rodados e os carris; e iii) o pós-processamento dos dados, que permite fornecer informação relevante sobre disfunções do sistema via-veículo que afetam o seu desempenho. Os dados obtidos com este novo sistema permitem obter informação relevante sobre o estado e o comportamento das vias-férreas analisadas.

O sistema desenvolvido é significativamente menos dispendioso do que alguns protótipos já desenvolvidos no passado noutros países, com capacidades adicionais, em termos de medição de parâmetros que usualmente não são avaliados por veículos de auscultação convencionais. A solução assenta num sistema integrado, constituído por quatro subsistemas, que estão embarcados no veículo, nomeadamente: a) subsistema de instrumentação, destinado à medição de grandezas físicas relativas à interação dinâmica via-veículo, composto por um conjunto de sensores e de transdutores; b) sistema de aquisição de dados, destinado à recolha e à conversão do sinal de medição dos sensores para formato digital; c) unidade coletora de dados para o estabelecimento da comunicação com o sistema de aquisição de dados, gestão, comando e importação dos dados adquiridos por este, primeiro processamento dos dados, visualização e armazenamento dos mesmos, e o estabelecimento de uma interface com o operador; d) aplicação informática destinada a processar os dados adquiridos e armazenados de forma a se poder transformar o conteúdo dos mesmos em informação útil, no que respeita à gestão das infraestruturas ferroviárias.

Neste trabalho apresenta-se uma breve descrição do Projeto COURSE, são reportados os trabalhos desenvolvidos no âmbito do projeto e são apresentados os métodos e os principais resultados dos estudos realizados. Por último, tecem se algumas considerações finais.

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2 MÉTODO UTILIZADO E SISTEMAS DESENVOLVIDOS NO PROJET O

A avaliação da rigidez vertical da via-férrea é feita através da medição da deformação vertical dos carris relativamente ao chassi do veículo. Medindo a distância entre o meio vão do chassi e a via-férrea, zona do carril que se considera indeformada pela presença do veículo, pretende-se obter informação relacionada com a deformação dos carris aquando da passagem do veículo por cima dos mesmos. Descontando desta medição os deslocamentos relativos entre o chassi e os carris pelo efeito da suspensão do veículo, medida em quatro pontos entre os veios das rodas do veículo e o chassi do mesmo, consegue-se monitorizar variações da deformação aplicada à via pela passagem do veículo. Com base nesta informação é possível obter uma estimativa razoável da deformação imposta sobre os carris pela passagem do veículo e assim calcular a rigidez vertical da via-férrea, que se traduz pela razão entre a força vertical aplicada por cada um dos rodados no carril e a respetiva deflexão vertical elástica da via-férrea. Relativamente à identificação das perturbações resultantes da interação dinâmica via-veículo, esta é realizada através da medição da aceleração transmitida às rodas do veículo, por acelerómetros instalados em cada rodado.

Após o estudo e a análise de várias soluções considerou-se que a instrumentação mais adequada para a medição da deformação dos carris relativamente ao chassi, aquando da deslocação do veículo ao longo da via-férrea, seria composta por seis transdutores de deslocamento sem contacto. Quatro desses transdutores destinam-se a medir a distância entre o chassi do veículo e o eixo de cada roda, e os outros dois a medir a distância entre o meio vão do chassi do veículo e cada um dos carris (Fig. 1).

Fig. 1. Esquema representativo da posição da instrumentação no veículo ferroviário

Para além disso, atendendo a que a interface entre a cabina do veículo e os eixos não é uma ligação rígida, mas estabelecida por meio do sistema de suspensão do veículo, para efeitos de determinação da posição relativa, em translação e rotação, do chassi do veículo e cada um dos eixos, utilizam-se dois acelerómetros triaxiais, de elevada sensibilidade, instalados no interior das cabinas do veículo e dispostos simetricamente na zona frontal e na retaguarda. Por forma a complementar a solução descrita, o sistema também contém dois sensores de velocidade, instalados em cada eixo das rodas do veículo. O sinal gerado por estes sensores permite complementar a informação obtida por GPS, para fazer a georreferenciação dos dados registados na linha férrea.

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3 DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS E RESPETIVOS EQUIPAMENT OS

Numa fase inicial, após terem sido definidos os requisitos e de se ter concebido e analisado as soluções que viriam a ser utilizadas, procedeu-se à aquisição dos componentes e à montagem e calibração das cadeias de medição em condições de laboratório, para garantir que a informação adquirida satisfazia a qualidade adequada para atingir os objetivos previstos no Projeto [6].

No que se refere aos transdutores de deslocamento (medição sem contacto), de forma a recriar condições próximas daquelas em que iriam ser utilizados, nomeadamente em termos do perfil a observar, foi produzido numa impressora 3D um troço de carril UIC54. Com este perfil ligado a um parafuso micrométrico, cada um dos transdutores foi submetido a vários testes para avaliar a exatidão e a repetibilidade das medições.

A verificação dos acelerómetros destinados à medição da interação roda/carril (acelerómetros com capacidade para medir aceleração até ±500 g) compreendeu dois tipos de teste: um destinado a validar a cadeia de medição na gama mais baixa de utilização, onde é efetivamente importante medir a aceleração com elevada exatidão, e outro numa gama de aceleração mais elevada. Para a realização do primeiro teste foi utilizada uma instalação experimental, disponível no LNEC, constituída por uma mesa sísmica de pequenas dimensões, um gerador de sinais de referência, um amplificador de potência e um acelerómetro de referência. No segundo teste fixaram-se dois acelerómetros idênticos numa placa metálica, com uma orientação, na medida do possível idêntica, e gerou-se a aceleração através do impacto entre uma massa móvel (percutor) e a massa fixa (base metálica).

A cadeia de medição associada aos acelerómetros destinados à medição da aceleração do chassi do veículo foi verificada com recurso à mesa sísmica uniaxial do LNEC. Cada um dos acelerómetros foi submetido a vários testes de aceleração uniaxial, segundo cada um dos seus eixos, numa gama de frequências entre 1 Hz e 100 Hz.

Os dois transdutores de velocidade utilizados foram desenvolvidos no LNEC e destinam-se à medição da velocidade de rotação de cada um dos eixos do veículo. A razão da existência de dois transdutores para medir a mesma grandeza prende-se com a possibilidade de ocorrência de escorregamento diferencial das rodas nos carris. Para a sua verificação utilizou-se um torno mecânico para imposição da velocidade de rotação ao anel instrumentado e um tacómetro como referência da medição.

Após a verificação dos diversos transdutores, desenvolveu-se e validou-se o subsistema que permite proceder à medição da rigidez vertical da via-férrea e o subsistema que permite proceder à identificação, na via-férrea, dos locais ou de situações que induzam perturbações significativas na interação dinâmica entre o carril e os rodados do veículo. A validação, com vista a detetar eventuais falhas ou insuficiências dos sistemas, foi realizada nas instalações experimentais do LNEC, através da monitorização de ensaios de carga cíclica sobre um modelo físico de via-férrea à escala real (carris, fixações, travessas, camada de balastro e respetiva fundação).

Foi também desenvolvido um sistema integrado de aquisição de dados que permite realizar a aquisição em 26 canais (grandezas) à frequência de amostragem de 1000 Hz, a que corresponde uma resolução espacial de 20 mm para uma velocidade do veículo de 20 m/s (72 km/h).

4 ADAPTAÇÃO DE UM VEÍCULO FERROVIÁRIO E CONCRETIZAÇÃO , CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DOS SISTEMAS EM TESTES PILOT O

No âmbito do Projeto adaptou-se um veículo ferroviário autopropulsionado (com construção de elementos de fixação e de proteção e alterações de geometria no interior e no exterior) para acolher os sistemas descritos anteriormente, constituídos por transdutores e sensores colocados no exterior e interior do veículo, e outros componentes complementares, como por exemplo a cablagem e armários técnicos/caixas de interface, colocados no interior. Atendendo à forma quase simétrica do veículo, considerou-se adequado e vantajoso dividir o sistema de monitorização pelas duas cabines, numa configuração de arquitetura distribuída. A título de exemplo, são apresentados na Fig. 2 alguns aspetos dos dispositivos instalados. Os testes prévios realizados confirmaram o bom funcionamento de todo o sistema de monitorização, em termos dos sinais gerados pela instrumentação, da aquisição de dados e da comunicação entre os dois armários técnicos das duas cabines. O primeiro processamento de dados realizado pela aplicação informática desenvolvida foi também bem-sucedido.

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a)

b)

c)

d)

Fig. 2. Aspetos de transdutores instalados no veículo ferroviário: a) acelerómetro de ±500 g na tampa da chumaceira exterior de uma das rodas do veículo; b) transdutor de velocidade no eixo de rotação do

veículo; c) transdutor de deslocamento localizado por cima do eixo; d) pormenor do acelerómetro de ±4 g

Posteriormente, procedeu-se à calibração e validação dos sistemas em testes piloto. Para tal, procedeu-se à seleção, planeamento e preparação de um trecho de via-férrea de acesso ao estaleiro da empresa Mota-Engil, localizado no Poceirão. Realizaram-se os testes na via, no âmbito dos quais se procedeu à monitorização da sua resposta estrutural, não só com os sistemas protótipo embarcados no veículo, mas também com um sistema de monitorização instalado na via baseado em acelerómetros de elevada sensibilidade, com capacidade para medir aceleração em regime estático. Como sistema alternativo, foi também utilizado um sistema de medição sem contacto, baseado numa câmara de vídeo e numa câmara fotográfica e respetivos alvos ativos e passivos (Fig. 3).

Foi avaliada a resposta da via face à passagem do veículo, com características conhecidas, em termos de deflexões e acelerações medidas nos carris. O ensaio dividiu-se em três fases, uma correspondente ao registo dos zeros dos transdutores de deslocamento do sistema embarcado (sobre a laje de betão do fosso do estaleiro), outras duas correspondentes à resposta da infraestrutura em regime estático e em regime dinâmico, embora a baixa velocidade. O pós-processamento dos dados obtidos e a subsequente análise dos resultados permitiu concluir que o sistema de visão permitiu determinar valores de deformação do carril, resultantes da passagem do veículo, compreendidos entre 2,4 mm e 2,7 mm. O sistema embarcado registou deformações entre 2,0 mm e 2,6 mm, pelo que se considera que os resultados obtidos com os dois sistemas são compatíveis entre si. Foi notória a vibração de alta frequência induzida pela interação roda carril, que reduziu significativamente a qualidade dos resultados que se poderiam obter com os acelerómetros para determinar a deflexão do carril.

a)

b)

c)

d)

Fig. 3. Aspetos da instrumentação nos testes piloto: a) acelerómetros no carril; b) câmara de vídeo do tipo industrial; c) máquina fotográfica de elevada resolução; d) alvos passivos (cruz) e alvos ativos (LED)

5 DEMONSTRAÇÃO DOS SISTEMAS NUMA VIA-FÉRREA EM EXPLOR AÇÃO

Para aferir a qualidade das medições efetuadas pelos sistemas protótipo embarcados no veículo, era fundamental desenvolver uma campanha de monitorização dum trecho de via-férrea em exploração. O trecho de ensaio selecionado localiza-se no troço compreendido entre Ermidas do Sado e Poceirão, na Linha do Sul, ao longo do qual o veículo instrumentado efetuou as medições. Neste troço seleccionou-se um local para monitorizar a resposta da via-férrea, recorrendo a sensores instalados na mesma, para posteriormente comparar resultados com os obtidos, em simultâneo, com a passagem do veículo instrumentado sobre esse local. O local selecionado foi a transição norte para o Viaduto sobre a Ribeira de São Martinho, ao PK 63+472 (Fig. 4), onde tinham sido anteriormente instalados elementos resilientes na face inferior das travessas (USP – Under Sleeper Pads), no

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âmbito de outros projetos de I&D [7]. A medição da resposta da via-férrea no local onde foram instalados esses elementos era particularmente relevante para o presente Projeto dado que aqueles componentes de via introduzem variações na rigidez vertical, que são precisamente as ocorrências que se pretendem identificar com o veículo protótipo desenvolvido. O planeamento dos ensaios foi realizado em conjunto com a empresa Infraestruturas de Portugal (IP).

Terreno natural

MAC

- Coroamento e≥20 cm

- Camada de sub-ballastro e≥30 cm

ABGE

2 3- Camada de balastro e≥30 cm sob a travessa

1

Aterro (solos)

1 2 3

20 m

3 m

Estacas

Vista em planta

Perfil longitudinal

Passeio

- Acelerómetro piezoelétrico na travessa

Murete dobalastro

1 2 4

Maciço deestacas

Junta do tabuleiro

Aterro (solos)

MA

C

BC=5%0/31.5 mm

1

3

7

Vãos = 28.4 m

Limite lateral do balastro

Limite lateral da plataformaAsa doencontro

0/31.5 mmABGE

5

Muro detardoz

Tabuleiro

TravessasCarril

Encontro

USP Tipo I (34 travessas) USP Tipo II (50 travessas)

USP Tipo I (34 travessas) USP Tipo II (50 travessas)

6 7 8

2 43 5 6 7 8

Altura do aterro

Largura do tabuleiro

a)

b)

c)

Fig. 4. Local monitorizado ao PK 63+472: a) perfil longitudinal e instrumentação local; b) pormenor dos acelerómetros piezoelétricos colocados nas travessas; c) passagem do veículo instrumentado

Analisando os resultados obtidos com a instrumentação embarcada correspondentes ao troço monitorizado ao PK 63+472 foi possível verificar que: a) os transdutores de deslocamento instalados no chassi permitem detetar a ocorrência de uma gama alargada de eventos, permanentes e transitórios, ao nível da via e do próprio veículo, constituindo assim uma fonte vital de informação para melhor interpretar os dados resultantes da restante instrumentação; b) os acelerómetros instalados nos eixos das rodas proporcionam informação maioritariamente qualitativa da interação roda-carril, a qual conjugada com a georreferenciação proporcionada pelo GPS permite assinalar a presença de eventos notáveis ao nível da via; c) os acelerómetros instalados nas cabines proporcionaram informação detalhada e com qualidade adequada para identificar as características dinâmicas dos diversos elementos de interesse.

7

Na Fig. 5 encontra-se representada a amplitude da Transformada de Fourier do registo do canal vertical do acelerómetro de uma das cabines, em quatro períodos de aquisição de dados consecutivos, obtidos na vizinhança do encontro norte do viaduto sobre a Ribeira de S. Martinho. Cada período corresponde a trechos de via com diferentes características dinâmicas, respetivamente: i) viaduto; ii) viaduto com travessas equipadas com USP; iii) via sobre aterro com travessas equipadas com USP e iv) via sobre aterro. Nestes gráficos estão identificadas as origens mais prováveis dos picos de resposta observados, podendo ser separados em dois grupos. O primeiro grupo inclui os picos de resposta caracterizados por frequências dependentes da velocidade de circulação, nomeadamente: Per. Rodas – frequência associada à presença verificada de um defeito numa das rodas; Travessas – frequência associada à passagem por cima das travessas; Motor – frequência de rotação do motor. O segundo grupo inclui os picos de resposta associados às frequências estruturais do sistema dinâmico constituído pelo veículo e pela via, sendo Fs a frequência associada à suspensão do veículo, Ff a frequência associada à rigidez da fundação e Fc a frequência associada à interação entre a suspensão e a fundação. Os resultados exibidos nestes gráficos foram obtidos com a velocidade do veículo a variar, tendo o último sido obtido momentos antes da sua imobilização, como é comprovado pela ausência de frequências associadas à velocidade. Os dados obtidos evidenciam a existência de variações de rigidez da via como era antecipado.

No que se refere à avaliação da resposta estrutural do local da via-férrea que foi instrumentado e monitorizado, são apresentados na Fig. 6 os registos dos acelerómetros instalados nas travessas, em várias posições (1 a 8), ao longo de um pequeno segmento de via (cerca de 40 m em aterro à saída do viaduto). Da análise dos resultados verificou-se a existência de conteúdos em frequência importantes até cerca de 300 Hz (Fig. 6a). É de notar que, como o veículo circulava a uma velocidade de cerca de 42,7 km/h, o conteúdo em frequência que estava principalmente relacionado com a resposta global da via-férrea à passagem dos eixos corresponde à gama de frequências até cerca de 30 Hz, sendo inclusivamente possível identificar os principais harmónicos numa gama até cerca de 10 Hz (Fig. 6b). Assim, em termos de pós-processamento, estes resultados foram inicialmente filtrados utilizando um filtro passa-baixo do tipo Butterworth, de ordem 9 e com frequência de corte de 20 Hz, no sentido de remover componentes de frequência mais elevadas e reter a informação mais relevante relativa à resposta da estrutura para efeitos de determinação da rigidez vertical. Foi ainda determinado o tempo que o veículo demorou a chegar a cada posição dos acelerómetros de forma a poder-se analisar os resultados sem o aparente desfasamento temporal, como ilustrado na Fig. 7.

Para a determinação dos deslocamentos verticais, com base nas acelerações registadas, foi necessário realizar a dupla integração dos sinais. Neste caso, de forma a evitar a acumulação de erros excessivos, típica desta operação, recorreu-se a uma abordagem que consistiu na dupla integração dos sinais no domínio da frequência, seguida da aplicação do corte das frequências mais baixas (inferiores a 1,0 Hz) e do acerto da posição de repouso da estrutura. Os resultados obtidos permitiram concluir que existe uma redução importante e gradual da deflexão de pico (Fig. 8a), traduzindo-se assim num aumento de rigidez entre a posição 1 e a posição 8. Este resultado era expetável, pois como referido anteriormente, foram instalados elementos resilientes sob as travessas nas posições mais próximas da obra de-arte. As variações mais elevadas dos valores médios das deflexões de pico, entre posições consecutivas, corresponderam à passagem da posição 1 para a 2 (redução de cerca de 40% da deflexão) e da posição 6 para a 7 (redução de cerca de 44%). Entre a posição 1 (a mais deformável, ou menos rígida) e a posição 8 (a menos deformável, ou mais rígida), verificou-se uma redução de deflexão de cerca de 74%.

Para a determinação do deslocamento vertical total do carril à passagem dos eixos, contribui não só a deflexão das travessas, mas também a deformação das palmilhas do carril. Sabendo que as palmilhas do carril apresentam uma rigidez vertical de 160 kN/mm, a componente de deformação vertical do carril relativa apenas a estas palmilhas estimou-se em 6,25x10-3 mm/kN, que acresce aos deslocamentos de pico referidos anteriormente.

Assumindo que a tara do veículo era de 24 t, que o mesmo transportava uma carga de aproximadamente 10 t (correspondente à água no depósito, aos equipamentos e à tripulação a bordo), considerando uma distribuição equitativa do peso entre os 4 rodados do veículo e que a carga vertical transmitida dos rodados para a travessa subjacente era, no máximo, 50% do seu valor, estimou-se que a contribuição da deformação da palmilha do carril para o deslocamento vertical total do carril seja cerca de 0,25 mm. Assim, estimou-se que a rigidez da via tenha variado entre 34,1 kN/mm na posição 1 e 98,0 kN/mm na posição 8 (Fig. 8b). Em geral, estes resultados vieram ao encontro das conclusões de estudos anteriormente realizados naquele local (Paixão et. al, 2018). Comparando estes resultados com os obtidos com a instrumentação embarcada (ver Fig. 5) pôde-se concluir que a solução desenvolvida permitiu identificar variações de parâmetros funcionais e estruturais da via.

8

a)

b)

c)

d)

Fig. 5. Transformada de Fourier do registo do canal vertical do acelerómetro de uma das cabines, em quatro períodos consecutivos de aquisição de dados: a) viaduto; b) viaduto com travessas com USP; c) via

sobre aterro com travessas com USP; d) via sobre aterro

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0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

0.5

1

Acc

. (m

s-2/H

z)

123

45

678

Frequência (Hz) a)

0 5 10 15 20 25 300

0.1

0.2

0.3

0.4

Acc

. (m

s-2/H

z)

123

45

678

Frequência (Hz) b)

Fig. 6. Registos em frequência dos acelerómetros colocados na via-férrea: a) até 500 Hz; b) até 30 Hz

9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

Time (s)

Acc

. (m

s-2)

123

45

678

Fig. 7. Registos dos acelerómetros colocados na via-férrea, após aplicação de filtro passa-baixo e acerto de tempo de cada sensor nas posições 1 a 8 (ver Fig. 4a)

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

0 10 20 30 40 50

De

slo

cam

en

to v

ert

ica

l d

e p

ico

(m

m)

Distância ao viaduto (m) a)

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

0 10 20 30 40 50

Rig

ide

z v

ert

ica

l d

a v

ia (

kN

/m

m)

Distância ao viaduto (m) b)

Fig. 8. Valores médios dos deslocamentos verticais de pico nas travessas nas posições 1 a 8 (a) e estimativa da variação de rigidez da via em contínuo na zona instrumentada

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6 CONSIDERAÇÕES FINAIS

O projeto COURSE permitiu conceber, desenvolver e demonstrar a aplicabilidade de uma abordagem inovadora e integrada de avaliação do desempenho da via-férrea que também contribui para identificar as causas das disfunções da via. No âmbito do desenvolvimento dos sistemas e respetivos equipamentos, após se ter definido os requisitos e de se ter concebido e analisado as soluções que viriam a ser utilizadas, procedeu-se à aquisição dos equipamentos, seguido da calibração das cadeias de medição em condições de laboratório. Após a verificação dos diversos transdutores, desenvolveu-se e validou-se, em ambiente laboratorial, o subsistema que permite realizar a medição da rigidez vertical da via-férrea e o subsistema que permite realizar a identificação dos locais ou de situações que induzam perturbações significativas na interação dinâmica entre o carril e os rodados do veículo. Procedeu-se ao desenvolvimento de um sistema integrado de aquisição de dados e ao desenvolvimento de uma ferramenta de análise estrutural, com base nos registos obtidos pelo sistema mencionado anteriormente. Foram validados os sistemas de medição, de aquisição e de pós-processamento, num modelo físico de via-férrea à escala real, que se encontra disponível no LNEC.

Adaptou-se um veículo ferroviário autopropulsionado para acolher os novos sistemas e implementaram-se esses sistemas no referido veículo. Posteriormente, procedeu-se à calibração e validação dos sistemas em testes piloto, para o que houve a necessidade de adaptar sistemas de instrumentação e de aquisição externos (colocados na via) para monitorização da resposta estrutural da via. Finalmente, demonstrou-se o funcionamento dos sistemas embarcados numa via-férrea em exploração, tendo-se comprovado o seu bom funcionamento.

AGRADECIMENTOS

Este trabalho foi realizado no âmbito do projeto de I&D COURSE, cofinanciado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER) através do Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (POCI), no âmbito dos programas Portugal2020 e Lisbo@2020 [LISBOA-01-0247-FEDER-017937]. A bolsa de pós-doutoramento do segundo autor foi financiada pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, através da POCH, cofinanciada pelo Fundo Social Europeu e fundos nacionais da MCTES, Portugal [SFRH/BPD/107737/2015]. Parte deste estudo foi desenvolvido no âmbito da atividade do Grupo de Trabalho 4 “Subestrutura da via-férrea, incluindo zonas de transição” da Comissão Portuguesa de Geotecnia nos Transportes (CPGT) da Sociedade Portuguesa de Geotecnia. Os autores agradecem à empresa Infraestruturas de Portugal por permitir a colocação da instrumentação na via-férrea e proceder às respetivas medições.

REFERÊNCIAS

1. CEN. European Standard EN 13848-1:2019 Railway applications - Track - Track geometry quality - Part 1: Characterisation of track geometry. 93100 - Construction of railways. Brussels: CEN/TC 256 - Railway applications, Comité Européen de Normalisation; 2019.

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