Para controlar o fenómeno de interação que se manifesta nas obras de arte ferroviárias são necessários definir critérios de segurança para salvaguardar as condições de operacionalidade do tráfego ferroviário. Os documentos EN 1991-2 (2003) e UIC-774-3-R (2001) apresentam uma lista de critérios que deverão ser considerados no cálculo do modelo numérico e na sua posterior análise e verificação de segurança. Os critérios apresentados limitam as tensões nos carris, os deslocamentos relativos e absolutos, a rotação e os deslocamentos nas extremidades dos apoios do tabuleiro. A limitação destes parâmetros a valores admissíveis tem o objetivo de controlar os efeitos de interação via-estrutura
A definição dos critérios acima referidos tem em consideração as características da via. Desse modo, perante estruturas ferroviárias podem existir três cenários distintos:
Via de barra longa soldada (BLS);
Via de BLS com aparelho de dilação numa extremidade do tabuleiro;
Via de BLS com aparelhos de dilatação em ambas as extremidades do tabuleiro ou via de carris com juntas.
Seguidamente apresentam-se os critérios de segurança que devem ser estabelecidos em qualquer projeto ferroviário.
2.5.1.TENSÃO ADMISSÍVEL NOS CARRIS
Na análise do efeito de interação via-estrutura, ou seja, quando a via de BLS se encontra sobre uma ponte/viaduto e sobre o encontro adjacente, os valores das tensões nos carris resultantes das ações atuantes (variação da temperatura do tabuleiro, arranque e frenagem e sobrecarga ferroviária) devem ser limitados aos seguintes:
σcompressão ≤ 72 MPa (controlo do risco de encurvadura do carril);
σtração ≤ 92 MPa (controlo do risco de rotura do carril).
Os valores referidos são apresentados na norma EN 1991-2 (2003) e na ficha UIC-774-3-R (2001). No entanto, a definição destes valores teve como base ensaios realizados na Universidade Técnica de Munique com o objetivo de determinar a carga crítica de uma via balastrada. Associada à carga crítica da via está uma variação de temperatura que define a temperatura que conduz à instabilidade da via. Os ensaios foram realizados em plena via com raio em planta de 1100 m, constituída por dois carris UIC 60 (α = 1,15 x 10-5/ºC e E = 210 GPa) e travessas de betão B70 com espaçamento de 60 cm entre as
mesmas. Destes ensaios concluiu-se que a temperatura que conduz à instabilidade da via é no mínimo de 120 ºC (Figura 2.16). Aplicando a este valor um coeficiente de segurança de 1,5 a temperatura de segurança para os carris é de 80 ºC. Tendo em conta que o carril pode atingir temperaturas acima da sua temperatura de referência na ordem de 50 ºC (ver secção 2.3.1.), a tensão de compressão admissível no carril corresponde a uma variação de temperatura de 80 - 50 = 30 ºC (Figura 2.16). Assim, a tensão de compressão disponível pode ser determinada pela equação 2.4, resultando uma tensão de compressão de 72 MPa.
Figura 2.16 – Resultados dos ensaios realizados para a determinação da carga crítica da via.
Ainda referente aos ensaios realizados por Ruge et al. (2004), conclui-se que a tensão de cedência do material é determinante na definição da variação da tensão normal de tração nos carris de via balastrada. Dos ensaios resultou um valor de 92 MPa para a tensão de tração admissível. Na mesma investigação é ainda referido o efeito favorável que a deformação vertical do tabuleiro tem na variação da tensão normal dos carris (≈ 20 MPa).
Assim, conclui-se que considerando os efeitos da flexão do tabuleiro a tensão de tração disponível é de 112 MPa enquanto não considerando os efeitos a tensão assume o valor de 92 MPa.
Nos casos em que vias ferroviárias são providas de aparelhos de dilatação, os valores apresentados em cima não são na realidade os valores de tensão limite nos carris. Devem ser determinadas as tensões nos carris devido aos efeitos globais das ações variáveis (variação da temperatura no carril e no tabuleiro,
arranque/frenagem, sobrecarga ferroviária, fluência e retração) e comparadas com a soma entre a tensão limite admissível e a tensão do carril confinado correspondente à variação de temperatura do mesmo (Sanguino e Requejo, 2007).
Em 2.3.1. foi referido que se considera admissível um desvio da temperatura de referência do carril num intervalo de ± 50 ºC. A tensão do carril confinado pode ser determinada a partir da equação 2.4 e, como já referido, posteriormente adicionada à tensão limite.
Exemplificando, para uma via com carris UIC 60 (α = 1,15 x 10-5/ºC e E = 210 GPa) e para uma variação
de temperatura no carril de ∆Tc = ± 50 ºC, a partir da equação 2.4 obtêm-se σc = ± 121 MPa. Com a
adição das duas parcelas de tensão dos carris (tensão admissível e tensão do carril confinado), conclui- se que as tensões limite assumem o valor de 193 MPa para compressão e de 213 MPa para tração. Estes valores são então comparados aos valores dos efeitos globais obtidos devido às ações variáveis. A norma EN 1991-2 (2003) indica ainda que a limitação dos valores das tensões nos carris é válida para vias com as seguintes características:
Carris UIC 60 com uma tensão mínima resistente de 900 MPa; Via reta ou dotada de curvatura com raio mínimo de 1500 m;
Via balastrada com travessas de betão e espaçamento máximo de 65 cm entre elas; Via balastra com pelo menos 30 cm de balastro consolidado sob as travessas.
2.5.2.DESLOCAMENTOS RELATIVOS E ABSOLUTOS
Como já referido anteriormente, o conjunto de ações que provoca efeitos de interação entre a via e a estrutura é aquele que, de alguma forma, causa deslocamentos relativos entre as mesmas. Assim, tanto a limitação destes deslocamentos como a dos absolutos são necessárias para a estrutura ferroviária se situar dentro dos parâmetros de segurança.
Na Quadro 2.3 encontram-se organizados os deslocamentos limite apresentados na EN 1991-2 (2003) e na UIC-774-3-R (2001) tendo em conta o cenário da estrutura ferroviária em causa, onde: δrel é o
deslocamento relativo entre o tabuleiro e o carril devido à ação do arranque/frenagem; δabs é o
deslocamento horizontal absoluto do tabuleiro devido às mesmas ações.
Quadro 2.3 – Deslocamentos máximos admissíveis – ação de arranque/frenagem.
Cenário δrel δabs
Via de BLS ≤ 4 mm ≤ 5 mm
Via de BLS com AD numa extremidade
do tabuleiro ≤ 4 mm ≤ 5 mm
Via de BLS com AD em ambas as
extremidades do tabuleiro - ≤ 30 mm
É de acrescentar ainda que a mesma limitação dos deslocamentos δabs apresentada no Quadro 2.3 é válida
para deslocamentos relativos entre uma extremidade do tabuleiro e o encontro adjacente e para o caso dos mesmos deslocamentos mas entre dois tabuleiros consecutivos (Figura 2.17).
Figura 2.17 – Deslocamento relativo máximo entre dois tabuleiros consecutivos (IAPF, 2007).
2.5.3.ROTAÇÃO DA EXTREMIDADE DO TABULEIRO
O tabuleiro na presença da ação vertical da sobrecarga ferroviária tende a fletir. Esta flexão, para além da deformação vertical induzida no tabuleiro, provoca a rotação das extremidades do mesmo e deslocamentos na sua face superior (Figura 2.18). Todos estes aspetos conduzem a fenómenos de interação entre a via e a estrutura. Desse modo, a rotação do tabuleiro é também um parâmetro que deve ser controlado.
De maneira semelhante ao desenvolvido no ponto 2.5.2., tendo em conta os mesmo documentos apresenta-se no Quadro 2.4 a limitação dessa rotação em função dos três tipos de cenário, onde: δθH é o
deslocamento relativo entre a face superior da extremidade do tabuleiro e o aterro ou entre a face superior de dois tabuleiros consecutivos devido ao carregamento vertical (LM71 afetado pelo fator dinâmico).
Quadro 2.4 – Limitação da rotação das extremidades do tabuleiro.
Cenário δθH
Via de BLS ≤ 8mm
Via de BLS com AD numa extremidade do
tabuleiro ≤ 8mm
Via de BLS com AD em ambas as
extremidades do tabuleiro -
Figura 2.18 – Deslocamento horizontal considerando a rotação dos tabuleiros (IAPF, 2007).
2.5.4.DESLOCAMENTOS VERTICAIS DA EXTREMIDADE DO TABULEIRO
Na norma EN 1991-2 (2003) estão também presentes indicações para a limitação dos deslocamentos verticais entre a face superior do tabuleiro e a face superior do tabuleiro ou encontro adjacente devido
às ações variáveis. Estes deslocamentos não devem exceder 2 mm em linhas ferroviárias projetadas para velocidades superiores a 160 km/h e 3 mm em linhas projetadas para velocidades iguais ou inferiores a 160 km/h. Note-se que, quando a rasante não é horizontal, os movimentos horizontais do tabuleiro provocam deslocamentos normais ao seu desenvolvimento (Delgado, 2013); a Figura 2.19 representa esse efeito.
Figura 2.19 – Deslocamento vertical máximo entre faces superiores de tabuleiros adjacentes (IAPF, 2007).