No século dezenove, quando se iniciou a introdução dos trilhos metálicos à via férrea, era comum o seu dimensionamento de forma intuitiva, embasado pelo método da tentativa e erro, no entanto, a partir da segunda metade deste mesmo século, começou a ser desenvolvida por engenheiros ferroviários tentativas de análise da via e dos elementos que a constituem (GUIMARÃES, 1999).
Atualmente, o chamado Modelo Mecanístico vem fazer a inter-relação dos componentes que constituem a via (trilhos, dormentes, fixação, lastro, sublastro e subleito), procurando representar de maneira mais próxima à realidade a forma como o sistema se comporta frente às tensões e deformações induzidas pelo efeito do carregamento por complexas interações (NETO, 2010).
Este modelo começa a ser moldado quando em 1867 Winkler desenvolveu equações diferenciais as quais possibilitaram um grande desenvolvimento da análise da via apoiada sobre uma base elástica. Engenheiros ferroviários americanos foram os primeiros a abordarem o modelo de viga apoiada sobre uma base elástica, principalmente por Talbot, tendo ainda hoje suas equações utilizadas na prática corrente americana. Eisenmann desenvolveu posteriormente, baseado no trabalho de Zimmermann, estudos que contemplam a análise da via sobre dormentes longitudinais que evoluiu para análise de dormentes discretos e, atualmente, é o método predominante na engenharia ferroviária europeia (GUIMARÃES, 1999).
Spada (2003) explica que a mecânica dos pavimentos avalia as reações dos materiais quando submetidos a diferentes níveis de tensões, em geral mais baixas em relação
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àquelas que induzem a estrutura à ruptura, no que diz respeito tanto a deformações elásticas quanto plásticas. A relação entre as tensões transientes e as deformações recuperáveis a ela correspondente, constitui o módulo de resiliência do material.
Segundo Silva (2002), a deformação elástica (resiliência) deveria ter seu limite superior definido em função da segurança e/ou conforto dos passageiros, de modo que o pavimento ferroviário não tenha baixo módulo de resiliência que resultaria em deformações elásticas elevadas, evitando que o trem “catapultasse” em seu movimento de galope, podendo levá-lo ao descarrilamento ou a causar desconforto ou mal-estar aos passageiros em decorrência das vibrações excessivas. Quanto ao limite inferior, este não deveria permitir elevados módulos de resiliência, que resultariam em baixas deformações a ponto de levarem as tensões de contato roda-trilho e impactos a níveis prejudiciais para vida útil do pavimento por provocar desgastes excessivos em seus componentes.
A interação entre os elementos que compõe a via permanente torna possível a transferência das cargas advindas do material rodante para a fundação. Cada elemento absorve parte das tensões que nele incidem, transmitindo-as em menor valor para as camadas subsequentes (KLINCEVICIUS, 2011).
Para melhor compreensão das tensões atuantes na via, torna-se necessário conhecimento da natureza destes esforços e a forma como ocorre sua transmissão entre os elementos. Desta forma, Brina (1983) divide os esforços provenientes da passagem das composições sobre a via da seguinte forma:
• Esforços verticais: têm direção normal ao plano dos trilhos e são constituídos pela carga estática oriunda do peso das composições, força centrífuga vertical, movimento de galope, movimento de trepidação e movimento de balanço;
• Esforços longitudinais: são constituídos pela variação térmica dos trilhos, deformação elástica sofrida pelo trilho em decorrência do contato com as rodas das composições, que deixam o trilho flexionado, possibilitando a geração de tensões de tração e flexão (movimento de reptação), golpes de
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roda no topo dos trilhos, frenagem, esforço trator e atrito dos frisos das rodas nos trilhos;
• Esforços transversais: são constituídos pela força centrífuga, movimento de lacêt e pelo vento.
A Figura 2.2 representa os movimentos de um veículo ferroviário em tráfego.
Figura 2.2 – Movimentos de um veículo ferroviário em tráfego (COÊLHO et al., 1982; MUNIZ DA SILVA, 2002)
A transmissão de tensões verticais que incide sobre a via férrea ocorre inicialmente nos trilhos, os quais recebem as tensões provenientes do contato direto com as rodas dos veículos ferroviários, este contato exerce uma força de compressão no trilho fazendo com que sua parte superior se desloque em movimento descendente tracionando a parte inferior do mesmo. As seções dos trilhos situadas em certos pontos distanciados em relação ao local de aplicação da carga tendem a fazer um movimento oposto (ascendente), de forma a tracionar a parte superior do trilho. A incidência das tensões verticais podem levar a ocorrência de sub-pressões que consistem no fenômeno de
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suspensão momentânea dos dormentes (KLINCEVICIUS, 2011). A Figura 2.3 representa a transmissão de tensões na via permanente ferroviária.
Figura 2.3 – Representação da distribuição de tensões em uma via permanente (SELIG e WATERS, 1994; KLINCEVICIUS, 2011)
Spada (2003) define o pavimento ferroviário de maneira sucinta com sendo a sobreposição de uma camada compacta dotada de certa rigidez e constituída por material resistente a deformação, menciona ainda o solo natural como material dotado rigidez mais baixa, sendo, desta forma, passível da ocorrência de deformações de caráter permanente. O autor explica que se considerarmos o conjunto lastro e sublastro como sendo uma única camada, o modelo discreto pode ser aplicado para o dimensionamento do pavimento ferroviário.
O projeto de um pavimento objetiva o dimensionamento de uma ou mais camadas estruturais com propriedades de rigidez e espessuras suficientemente capazes de manter sua integridade, impedindo o surgimento de trincas e deformações plásticas, assegurando a proteção do subleito, mantendo a tensão vertical resultante do carregamento da roda em um nível baixo e aceitável na superfície. Normalmente, projeta-se um pavimento considerando uma vida útil de vinte anos, período no qual
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estará sujeito a milhões de repetições de carregamento por eixo (SPADA, 2003). A Figura 2.4 ilustra a forma como o espraiamento de tensões ocorre em função da variação de rigidez da camada superior.
Figura 2.4 – Conceito do espraiamento do carregamento (BROWN E SELIG, 1991; SPADA, 2003)