METODOLOGIA PARA PREVENÇÃO DA FLAMBAGEM LATERAL DE TRILHO

Eliseu Carneiro da Silva Júnior Departamento de Ciência e Tecnologia

Instituto Militar de Engenharia Curso de Pós-Graduação em Transportes Ferroviário de Cargas

Luiz Antônio Silveira Lopes, D. Sc. Departamento de Ciência e Tecnologia

Instituto Militar de Engenharia Curso de Mestrado em Engenharia de Transportes

Carmen Dias Castro, D. Sc. Departamento de Ciência e Tecnologia

Instituto Militar de Engenharia Curso de Mestrado em Engenharia de Transportes

RESUMO A ocorrência de flambagem lateral de trilho é um dos fenômenos mais temido na atividade de manutenção de linha férrea. Impactos com acidentes ferroviários, trens parados sobre a via e restrições de velocidades são exemplos das consequências desse problema de difícil compreensão e ainda muito pouco entendido na engenharia ferroviária. Contudo, existem técnicas de prevenção que podem ser implementadas nas empresas de operações ferroviárias para minimizar a ocorrência, propagação e a gravidade desse fenômeno. Nesse trabalho, será apresentado uma ferramenta preventiva de priorização da manutenção de trechos críticos em relação a probabilidade de ocorrência da flambagem, tendo como resultado a identificação dos dez segmentos de trecho com maior criticidade na malha ferroviária da empresa Rumo Logística, situado entre Santa Maria – RS e Cacequi – RS. Entretanto, a eficácia da ferramenta só poderá ser medida a longo prazo, tendo em vista o período curto e o clima frio durante o período de realização do trabalho.

ABSTRACT The event of lateral buckling of track is one off the most afraid phenomenon in maintenance of railway. Problems like railway accident, stopped train on the track and velocity restriction are examples of the consequences of this difficult problem that has less comprehension in railway engineer. However, some prevention techniques can be implant in the facilities of operation tracks to minimized de effects, propagation and intensity of this phenomenon. In This Project, a preventive tool will be presented to prioritize de maintenance of critical sections in relation to the probability os occurrence of buckling, resulting in the identification of the ten segments with the highest criticality in the rail track of Rumo Logistic, located between Santa Maria – RS and Cacequi – RS. However, the effectiveness of the tool can only be measure in the futute, considering the short period and cold weather of the project. INTRODUÇÃO A ocorrência de flambagem lateral de trilho é um dos fenômenos mais temido na atividade de manutenção de linha férrea. Esse problema é resultado de elevadas forças de compressão longitudinal atuantes sobre os trilhos, forças essas que tem origem em situações de elevadas temperaturas que ultrapassam a temperatura de tensão livre do trilho. Altas tensões no trilho resultam em vários problemas além da flambagem como por exemplo, quebras de trilhos e talas de junção. A flambagem de trilho aumenta a possibilidade de um evento de descarrilamentos ferroviário. Aproximadamente 10% das ocorrências de flambagem resultam em um descarrilamento (Howie,2005). Isso representa um considerável custo para qualquer concessionário ferroviária. A consequência mais catastrófica dessa anomalia, é o acidente ferroviário. Contudo, outros impactos como trens parados sobre a via, restrições de velocidades, interdição do trecho para

operação, perda de credibilidade com clientes causando um alto prejuízo para a companhia, tanto operacional, quanto financeiro também são factíveis. O fenômeno é mais evidente nas ferrovias onde se tem um acentuado backlog de manutenção, relacionados ao desgaste do trilho, taxas elevadas de dormentação inservível, insuficiência de lastro e desconhecimento das técnicas de aplicação de trilho (Faixa de temperatura Neutra) e tensões térmicas (alívio de tensões), resultando em um movimento lateral em grande escala da estrutura do trilho, evidenciado geralmente como um desalinhamento da linha. A realização de um serviço definitivo de mitigação da flambagem em trechos reincidentes, garantia de condições mínimas de manutenção de via, aliada a técnicas e ferramentas de monitoramento preventivo, são as estratégias a serem adotadas para reduzir a ocorrência desse fenômeno. 1.1 Importância, Motivação E Justificativa Tomando como base os números da empresa RUMO Logística, nos últimos três anos ocorreram 4.278 registros de flambagem ao longo dos seus 12.000 mil quilômetros de ferrovia (Figura 1). Aproximadamente 1% dessas ocorrências resultou em acidentes ferroviário.

Figura 1 - Número de Acidentes Ferroviários nos últimos três anos, tomando como base a

empresa RUMO Logística.

Traduzindo esse número em valor, o prejuízo financeiro para a companhia, resultou na perda de 6,7 milhões de reais com recuperação e perda de ativos, gastos com revitalização da via e perda de volume por interdição de via, conforme ilustrado na Figura 2.

Figura 2 - Custo com acidente causa flambagem nos últimos 3 anos, tomando como base a empresa RUMO Logística.

Diante deste cenário, o presente trabalho tem por objetivo desenvolver uma metodologia de prevenção da flambagem lateral de trilho, através da criação de um check-list de priorização dos equipamentos / ativos mais críticos em relação à possibilidade de ocorrência de flambagem, tomando como premissa parâmetros técnicos e empíricos definidos, visando a diminuição das ocorrências de flambagem em um corredor específico da Rumo Logística.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Superestrutura Ferroviária O sistema ferroviário tem como origem o resultado da interação da via permanente (superestrutura e infraestrutura) e material rodante (Locomotiva + vagão), componentes esses necessários ao transporte. A superestrutura é composta basicamente por 5 elementos (figura 3) que são responsáveis por guiar os materiais rodantes e servir de suporte e sustentação para as solicitações oriundas das cargas que por essa estrutura trafegam: trilhos, placas de fixação, dormentes, lastro e sublastro.

Figura 3 - Seção Típica dos componentes da superestrutura ferroviária.

O propósito das estruturas férreas é transferir e distribuir os carregamentos dos trens para a plataforma. A transferência de carga funciona baseada no princípio da redução de tensões, como foi descrito por Esveld (2001) e Profillidis (1995), onde a carga do trem aplicada em cada elemento de suporte é distribuída na seção inferior em uma área maior à aquela aplicada na seção anterior, até que essa tensão reduzida chegue na plataforma. O diagrama a seguir (figura 4), ilustra a distribuição de tensões referente a cada elemento de suporte da estrutura ferroviária.

Figura 4 - Estrutura, transferência de Carga e redução de tensões. (Adaptado de Modern

Railway Track, Esveld 2001)

2.2 Trilho O trilho é o componente mais importante na estrutura da linha férrea. Tecnicamente, exercer a função de superfície de rolamento e suporte das cargas transportadas pelos veículos, além de ser o item de maior custo na manutenção de via. De acordo com Heeler (1979), as principais funções do trilho são:

• O trilho funciona como uma viga, distribuindo os esforços sobre os dormentes; • O trilho guia lateralmente os rodeiros dos veículos ferroviários; • Os trilhos transmitem os esforços decorrentes do movimento do veículo (carga dos

eixos, esforços de aceleração e frenagem e esforços devido à variação de temperatura);

Os trilhos requerem a máxima precisão para o alinhamento em planta e nivelamento do perfil longitudinal, assim como adequada sobreelevação para poder permitir altas velocidades e conforto, em tráfego que submete os trilhos a grandes esforços (TOGNO,1973). É fabricado em diversos formatos, tamanhos, variando conforme sua aplicação na ferrovia. A dimensão é especificada por peso em metro linear, sendo constituído pelo boleto, alma e patim (figura 5) e tipicamente é formado por aço de baixo carbono.

Figura 5 – Sessão típica de um trilho ferroviário (Semprebone, 2005).

A montagem da linha férrea pode ser executada através de um conjunto de limitados tamanhos de trilho (barras longas), acoplados uns nos outros através de talas mecânicas de junção, deixando entre elas um espaçamento para absorver tensões de possíveis expansões térmicas. Contudo, o mais comum e recomendável hoje são os trilhos contínuos soldados (TCS) e os trilhos longos soldados (TLS), unidos através de soldas térmicas, elétrica e tem como resultados o aprisionamento de forças térmicas no trilho. Forças oriundas da dilatação térmica no trilho são um dos principais fatores desencadeante da flambagem. 2.3 Flambagem De acordo QR (2005), a flambagem pode ser definida como sendo um súbito desalinhamento da linha férrea, causado pela temperatura e/ou caminhamento do trilho induzindo tensões. Deve-se aplicar imediatamente restrições de velocidade e/ou intervenções imediatas das equipes de manutenção, permitindo assim a circulação de trem com segurança. A figura 6 abaixo mostra alguns exemplos típicos de flambagem de trilho.

Figura 6 - Exemplos de flambagem lateral de linha férrea.

A flambagem de trilho ocorre principalmente no plano horizontal, contudo, há registro de ocorrências no plano vertical. Se o trilho é perfeitamente reto e continuo, nenhuma flambagem irá acontecer, contudo, um pequeno desalinhamento poderá desencadeá-la. A temperatura, o mecanismo de carregamento e o desalinhamento são responsáveis pela força

lateral na direção Y (figura 7). Essa força é basicamente oposta à resistência lateral do dormente movendo-se no lastro, conforme mostrado na figura 8 a seguir.

Figura 7 - Vista Superior da Via Férrea

Figura 8 - Plano Vertical

As ferrovias australianas (ROA 1988), desenvolveram um sistema de prevenção de flambagem de trilho. Esse sistema é um método de priorização baseado em experiências empíricas, no qual identifica áreas de fraqueza na estrutura da linha ferroviária através de levantamentos de dados referente a parâmetros específicos da linha, tais como: • Temperatura do Trilho; • Comprimento do Trilho; • Medidas para estabelecer o perfil do lastro; • Raio de curvas; • Presença de fixação rígida; • Abertura das juntas; • Dormentação inservível; • Fixação frouxa ou inexistente; • Perfil do Trilho; • Tipos de dormente e fixação; • Indícios de caminhamento de linha; • Tipo de Lastro; Os parâmetros após levantados em campo, recebem um peso específicos de acordo com sua relevância em relação a resistência a flambagem e, em seguida, seções homogêneas de trilho são classificadas e priorizadas.

4. METODOLOGIA DA PESQUISA Primeiramente, para alcançar o objetivo geral, foi necessário realizar uma revisão bibliográfica do tema proposto, visando absorver o conhecimento necessário no assunto, existente em livros, artigos, papers, publicações nacional e internacional, bem como as práticas já adotadas em outras ferrovias (benchmarking). Na sequência foi escolhido um trecho piloto na empresa RUMO Logística, situado no Rio Grande do Sul, entre as cidades de Santa Maria e Cacequi, onde foi desenvolvido uma metodologia para priorizar preventivamente a manutenção nos equipamentos com maiores potenciais de sofrerem o processo de flambagem lateral, visando diminuir os descarrilamentos ferroviários ocasionados pelo fenômeno. Foi criado ainda, um check-list de priorização dos dez equipamentos mais críticos situado no corredor em estudo. Para tanto, como metodologia de trabalho, foi construída a ferramenta seguindo os passos apresentados a seguir: 4.1 Primeiro Passo: escolha dos parâmetros e definição dos pesos atribuídos a cada um deles: Através de um brainstorm de informações extraídas da literatura ferroviária sobre flambagem de trilho, além de parâmetros técnicos e empíricos definidos por uma equipe formada pela engenharia de via, via permanente e PCM da empresa Rumo Logística, foi elaborada a tabela 1, composta pelos parâmetros que foram mapeados para construção do check-list de flambagem, além do fator de risco (peso) atribuído a cada um dos parâmetros. Tais fatores foram usados para calcular o risco de flambagem de cada trecho de via (equipamento).

Tabela 1 - Parâmetros versus Fator de Risco

Parâmetro Condição Fator de Risco

Raio de Curva

Até 250 m 9 De 250 a 500 m 6 500 m ou mais 3

Tangente 0

Rampa

3 % ou mais 9 2 a 3 % 6 1 a 2 % 3

Menos de 1 % 0

Último alívio de tensão Menos de 1 ano -3

De 1 a 3 anos 3 Mais de 3 anos 6

Mês da substituição de trilho Maio a Setembro 18 Outubro a Abril 0

Mês da Solda Maio a Setembro 6 Outubro a Abril 0

Desalinhamento Mais de 15mm 6

Até 15 mm 0 Deslocamento de dormente Sim 18

Não 0

Tipo de Dormente Madeira 6 Concreto 0

Tipo de Fixação Rígida 9 Mista 6

Elástica 0

Condição da Fixação Ruim 9 Boa 0

Retensor Não tem 9

Tem 0

Ancoragem Sem ancoragem 0

Com retensor -3 Com par de ancoragem -6

Lastro (meio) Inexistente 0

Parcial -3 Completo -6

Ombro do Lastro (cm) Inexistente 9

Parcial 6 Completo 0

Tempo da última intervenção

1 mês 9 2 meses 6 3 meses 3 4 meses 0

Marca de caminhamento no trilho

Sim 15 Não 0

Indícios de flambagem Sim 18 Não 0

Amplitude Máxima da temperatura nos últimos 2

anos

45 18

Interpolar a Zero 0

TQI Geométrico

Acima de 400 9

250 – 400 6 100 – 250 3

0 - 100 0

4.2 Segundo Passo: Escolha do trecho Piloto. O trecho escolhido para realização do estudo piloto desse trabalho, está situado na malha sul da empresa Rumo Logística, no corredor do Rio Grande do Sul, na Subdivisão 25, entre os pátios de Santa Maria – RS e Cacequi – RS, totalizando uma extensão de aproximadamente 110 km (figura 9 e 10).

Figura 9 - Malha Rumo Logística.

Figura 10 - Subdivisão 25 (Santa Maria - Cacequi).

A escolha desse trecho se justifica devido importância do mesmo, no corredor do Rio Grande do Sul, além da facilidade logística em relação ao local de construção do trabalho (Santa Maria – RS). 4.3 Terceiro Passo: Prospecção em campo dos dados. Dentre os parâmetros escolhidos pela equipe de trabalho, há aqueles cujo input já existe no sistema de informações via da RUMO Logística (SIV), contudo, existem parâmetros que tiveram que ser prospectados em campo. O trabalho de prospecção foi realizado pelas equipes de manutenção de via durante 3 meses (Fevereiro, Março e Abril), mapeando um total de 181 equipamentos (curva e tangentes) em um total de 109,5 km de via. Basicamente, foram mapeadas características qualitativas da via, tais como: Tipo de dormente (madeira / concreto); Tipo de Fixação (Rígida / Elástica / Mista);

Condição da Fixação (Ruim / Boa); Existência de Retensor (Sim / Não); Lastro entre dormentes (Completo / Parcial / Inexistente); Ombro de Lastro (Completo / Parcial / Inexistente); Marca de Caminhamento de Trilho (Sim / Não); Indício de Flambagem / Desalinhamento (Sim / Não); 4.4 Quarto Passo: Levantamento dos dados do sistema. A fontes de dados existentes no sistema informativo Via da Rumo Logística, que foram utilizadas nesse trabalho são originadas basicamente de 4 tipos de detecção: Prospecção de Dormentes e Trilho, Ronda a pé, Carro Controle e Ultrassom. Os inputs extraídos para qualificar os equipamentos foram: Mês da última substituição de trilho; Mês da Solda; Tempo do Último alívio de tensão (dias); Tempo da Ultima Troca de Dormentes (dias); Tempo da Ultima Socaria mecanizada (dias); Amplitude Térmica máxima nos últimos 2 anos; Desalinhamento (mm); Raio de Curva; Inclinação de Rampa; TQI geométrico do Equipamento (Bitola, SE, Nivelamento Transversal, Empeno); 4.5 Quinto Passo: Cálculo do Risco de Flambagem Diante das informações quantitativas e qualitativas (campo / sistema), o último passo, foi a classificação dos parâmetros em relação ao fator de risco que ele representa, nas condições levantadas. Após a classificação, foi realizada a soma dos valores de cada fator de risco atribuído aos parâmetros e, finalmente, foi obtido resultado do risco total que os equipamentos (reta ou curva) possuem em relação a ocorrência de flambagem lateral de trilho.

R = 𝑃 1 𝑥 𝐹1 + 𝑃 2 𝑥 𝐹2 + ⋯+ 𝑃20 𝑋 𝑓20 (1)

Em que R = Risco de Flambagem

P = Valor do Parâmetro n

F = Fator de Risco (peso) do Parâmetro n.

5. ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Os resultados do cálculo do risco de flambagem, referente aos equipamentos do trecho ferroviário piloto desse estudo (Santa Maria – RS / Cacequi – RS), que foi utilizado como ferramenta de priorização de manutenção visando diminuir as ocorrências de flambagem, estão representados pela tabela 3 (Top 10 equipamentos). A partir da análise da tabela 3, foi possível constatar que do total de 181 equipamentos (curvas e tangentes) analisados, o menor valor de risco obtido foi de 18,2 e o maior de 129,2. A média do risco de flambagem dos equipamentos foi de 61,2 para um desvio padrão de 22,3.

O resultado do risco de flambagem do equipamento classificado como o mais crítico está representado pela tabela x.

Tabela 2 - TOP 10 equipamentos com maiores riscos de flambagem

Equipamento Cv / tg Sub km início km fim extensão (km)

Risco de Flambagem

(soma)

25/421400-421715cv cv 25 421,400 421,715 0,315 129,2

25/414655-414890cv cv 25 414,655 414,890 0,235 126,2

25/421715-422548tg tg 25 421,715 422,548 0,833 126,2

25/423300-423510cv cv 25 423,300 423,510 0,210 123,2

25/427380-428216cv cv 25 427,380 428,216 0,836 117,2

25/412450-412760tg tg 25 412,450 412,760 0,310 114,2

25/422548-422750cv cv 25 422,548 422,750 0,202 114,2

25/413470-414655tg tg 25 413,470 414,655 1,185 111,2

25/377498-378605tg tg 25 377,498 378,605 1,107 108,2

25/410080-411750tg tg 25 410,080 411,750 1,670 108,2

Tabela 3 - Descritivo de cálculo check-list de flambagem

Percebe-se, ainda, pela análise da tabela 4, o equipamento 25/421400-421715, uma curva, classificado como o de maior risco em relação a ocorrência de flambagem lateral de trilho, atingiu esse patamar muito impulsionado pela condição de indícios flambagem e desalinhamento (Trilho “Topado” na junta) identificada em campo, além de indícios de caminhamento de trilho. Isso pode ser explicado substancialmente pela alta taxa de dormentação inservível (44 %), pelas condições ruins de fixação, fixação rígida e insuficiência de lastro, o que resultada em uma baixa resistência lateral da grade. Outro fator relevante é a ponderação pelo mês de aplicação do trilho. A barra foi aplicada em setembro (fim do período de frio no RS), provavelmente abaixo da faixa de temperatura neutra, resultando em um elevado acúmulo de tensões nos períodos de alta temperatura. Observa-se na tabela 3 a existência de 4 equipamento muito próximos geograficamente dentre os top 10, situados entre os km 421 e 423. A intervenção imediata nesses equipamentos, com serviços de alivio de tensão, puxamento de linha, substituição de dormente, aplicação de

Corredor Equipamento Cv / tg Subdivisão km início

km fim extensão (km)

Santa Maria - Cacequi 25/421400-421715cv cv 25 421,400 421,715 0,315

PARÂMETRO CONDIÇÃO FATOR DE RISCO

1 - Raio de curva 229 9

2 - Rampa (%) 0 0

3 - Tipo de dormente (Madeira/Concreto) M 6

4 - Tipo de fixação (Elástica/Rigida/Mista) R 9

5 - Condição Fixação (Bom/Ruim) R 9

6 - Retensor (S/N) S 9

7 - Lastro entre dormentes (Completo/Parcial/Inexistente) I 9

8 - Ombro de lastro (Completo/Parcial/Inexistente) I 9

9 - Marcas de caminhamento de trilho (S/N) S 18

10 - Indicios de flambagem - Desalinhamento (S/N) S 18

11 - Mês da substituição de trilho 9 18

12 - Mês da solda 6 6

13 - Tempo do último alívio de tensão 450 3

14 - Tempo da última troca de dormente 2223 0

15 - Tempo da Última socaria mecanizada 876 0

16 - Ampitude máxima dos últimos 2 anos 23 9

17 - Desalinhamento (mm) 16 6

18 - TQI Geometrico 689 9

Risco de Flambagem (soma) 129

fixação elástica e descarga de pedra britada são altamente recomenda para a prevenção de um evento de flambagem que pode resultar em um descarrilamento ferroviário.

6. CONCLUSÕES A ferramenta de priorização da manutenção em equipamentos críticos de flambagem (check- list de risco), foi criada com o objetivo de se iniciar um trabalho preventivo na diminuição das ocorrências de flambagem lateral de trilho, entretanto, a partir desse trabalho pode-se concluir que o reflexo desse trabalho será sentido a longo prazo, uma vez que a região do trecho ferroviário piloto (Santa Maria – RS / Cacequi – RS) escolhido para a realização do trabalho está em seu período de frio, o que contribui para a diminuição das tensões nas barras de trilho e consequentemente a não ocorrência de flambagem. Contudo, o momento ideal para a realização das intervenções de manutenção dos equipamentos mapeados como críticos é justamente no período antecessor ao calor intenso (Maio à Setembro). No primeiro momento, deve – se trabalhar no travamento da linha: diminuir a taxa de dormentação inservível, substituir fixações rígidas por elásticas, recompor o confinamento lateral exercido pelo lastro e restabelecer a geometria (alinhamento) da via. Paralelamente, como sugestão, deverá ser feito um mapeamento com um equipamento de medição da temperatura de aplicação da barra (Verse). Através desse parâmetro, teremos conhecimento com precisão se a aplicação do trilho ocorreu dentro da faixa de temperatura neutra e se a barra estará em um estado de tensão (dilatação) ou compressão através da medição da temperatura. Uma vez possuindo essa informação, iniciará a etapa de realização de alivio de tensão e restabelecimento de folga de junta.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Esveld, C 2001, Modern Railway Track, 2nd edn, MRT-Productions, The Netherlands. Howie, A 2005, Track Buckle Report, 2004/2005; Network Access, QR. Heeler, C L 1979, British Railway Track: Design, Construction, Maintenance; The Permanent Way institution; Nottingham, UK. M.A VAN. Buckling analysis of continuous welded rail track. Technical University Delft, Department of Civil Engineering, Mechanics and Structures Group, Stevinweg. QR, 2005, Civil Engineering Track Standards (CETS): Track Stability. Profillidis, VA 1995, Railway Engineering, University Press, Cambridge England. SEMPREBONE, Paula da Silva, 2005. Desgastes em Trilhos Ferroviários – Um estudo Teórico. Dissertação de Mestrado. Universidade Estadual de Campinas – São Paulo. TOGNO, F., 1973. Ferrocarriles. Naucálpan: Representaciones y Servicios de Ingeniería S.A.