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MINISTRIO DA DEFESA
EXRCITO BRASILEIRO
SECRETARIA DE CINCIA E TECNOLOGIA
CURSO DE ESPECIALIZAO EM TRANSPORTE
FERROVIRIO DE CARGA
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
ACADEMIA MRS
EDUARDO TEIXEIRA FONSECA E SILVA
ANLISE DA EVOLUO DOS DEFEITOS DA VIA
PERMANENTE DA MRS PARA PLANEJAMENTO DE
INTERVENES PREDITIVAS DE MANUTENO
Rio de Janeiro
2006
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INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
EDUARDO TEIXEIRA FONSECA E SILVA
ANLISE DA EVOLUO DOS DEFEITOS DA VIA PERMANENTE
DA MRS PARA PLANEJAMENTO DE INTERVENES PREDITIVASDE MANUTENO
Monografia apresentada ao Curso deEspecializao em Transporte Ferrovirio de
Carga do Instituto Militar de Engenharia,como requisito parcial para a obteno dottulo de Especialista em TransporteFerrovirio de Carga.
Orientador: Prof. Jorge Luis Goudene Spada D.Sc.Tutor: Eng Alexandre Jacob Alves - M. Sc.
Rio de Janeiro
2006
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minha famlia. Mariana.
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Agradecimentos
Agradeo a todos que de uma forma direta ou indireta, colaboraram para que eu
pudesse ampliar meus conhecimentos.
Ao meu Tutor Alexandre Jacob, brilhante em sua funo de me guiar com
energia e ateno na conduo do trabalho.
Meu Orientador Jorge Spada, pelas sugestes de melhorias no trabalho.
Ao Instituto Militar de Engenharia (IME), MRS Logstica S.A. e Centro de
Estudos e Pesquisas Ferrovirias (CEPEFER) pela iniciativa e pela oportunidade
dada de crescimento profissional.
Professora Maria Cristina Sinay, pela ateno e sugesto de abordagem.
Ao Amauri, supervisor de Via do Ncleo de Belo Vale e toda sua equipe, em
especial Luiz Carlos e Gleison pela disponibilidade e presteza.
Vanea Nogueira, eterna conselheira.
Aos colegas Alexandre Leonardo e Leonardo Soares pelas consultorias
precisas.
Luiz Cludio Parijs pela ateno e disponibilidade do instrumento de pesquisa
e Joo Bosco de Lima, meu tutor honorrio pelas orientaes tcnicas.
Leopoldo Lobo e Jos Dias, pelos dados de TKB fornecidos, informao
fundamental para a realizao deste trabalho.
Aos colegas da gerncia de manuteno de vages de So Paulo, por
entenderem a necessidade de minha ausncia para a concluso do curso.
Aos amigos do curso pela amizade e companheirismo.
A Deus, pela luz, pela vida!
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Resumo
A proposta da manuteno preditiva da Via Permanente neste trabalho vem
confrontar as teorias empricas que levam em considerao o fator tempo como a
principal referncia para a degradao da Via. Baseado em um banco de dados
formado pelo equipamento Trolley de medio de parmetros da superestrutura,
busca-se uma estimativa do momento (condio) em que ocorrer a falha. O que
proposto aqui uma abordagem da taxa de evoluo da abertura de bitola
relacionada tonelagem bruta circulante na superestrutura, dado que este o
principal agente mensurvel da degradao da Via. Sabe-se que as intempries
ambientais e a qualidade dos materiais empregados na superestrutura influenciam
significativamente nos parmetros analisados, porm foge do escopo desta
pesquisa este tipo de anlise. Para efeito de definio do comportamento dos
parmetros, ser considerada a via como homognea, isto , com os dormentes,
tirefonds e placas de fixao nos mesmos estados de conservao.
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Sumrio
LISTA DE ILUSTRAES 08
LISTA DE TABELAS 10
1 INTRODUO 11
1.1 Consideraes Gerais 11
1.2 Justificativa 11
1.3 Objetivo 12
1.4 Organizao do Trabalho 13
2 GEOMETRIA DE VIA PERMANENTE 15
2.1 Tangente 15
2.2 Curva Circular 16
2.3 Curvas com transio (espiral) 19
2.4 Curvas Compostas 20
2.5 Curva Reversa 21
2.6 Superelevao 22
2.6.1 - Clculo da superelevao 23
2.6.2 Rampa de Superelevao 26
2.7 Bitola 26
2.8 Superlargura 27
2.9 Nivelamento da Via 29
2.10 Alinhamento da Via 29
3 DEFEITOS NOS PARMETROS GEOMTRICOS 30
3.1 Desalinhamento 313.2 Desnivelamento 31
3.2.1- Desnivelamento Longitudinal 32
3.2.2 Desnivelamento Transversal 33
3.3 Defeito de Bitola 33
3.3.1- Alargamento de Bitola (Wide Gauge) 34
3.3.2 Estreitamento de Bitola (Narrow Gauge) 35
3.3.3 GWR 35
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3.4 Empeno e Toro 36
3.4.1 Toro 37
3.4.1 Empeno (Warp) 37
3.5 Tolerncias dos Parmetros de Geometria da Via 38
4 MANUTENO DA SUPERESTRUTURA FERROVIRIA 42
4.1 Tipos de Manuteno da Superestrutura 42
4.1.1 Manuteno Corretiva 43
4.1.2 Manuteno Preventiva 43
4.1.3 Manuteno Preditiva 45
4.2 Seleo do mtodo de atuao 48
4.2.1 Bitola Aberta 48
4.2.2 Empeno 50
5 ESTUDO DE CASO 52
5.1- Instrumento de Pesquisa 52
5.1.1 Histrico 55
5.2 O Trecho Estudado 56
5.3 Anlise dos dados 62
5.3.1- Medies de bitola 63
5.3.1.1 Clculos para estimativa das retas dos pontos
representativos e projees de MTBT para a bitola. 67
6- CONCLUSES E RECOMENDAES 70
7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 72
APNDICES 73
APNDICE 1: Medio em campo (31/03/2006)
APNDICE 2: Medio em campo (14/04/2006)
APNDICE 3: Medio em campo (28/04/2006)
APNDICE 4: Medio em campo (17/05/2006)
APNDICE 5: Medio em campo (02/06/2006)
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LISTA DE ILUSTRAES
FIGURA 2.1: Planimetria geomtrica 16
FIGURA 2.2: Elementos de uma Curva Circular 17
FIGURA 2.3: Medio da flecha da curva a partir de corda de 20 m 18
FIGURA 2.4: Diagrama da curva circular simples 18
FIGURA 2.5: Curva com transio (espiral) 19
FIGURA 2.6: Diagrama da curva com transio 19
FIGURA 2.7: Curva composta (representao e diagrama) 20
FIGURA 2.8: Diagrama de uma curva composta com espiral 20
FIGURA 2.9: Curva Reversa sem espiral 21
FIGURA 2.10: Curvas reversas com espiral:
(a) sem tangente intermediria (b) com tangente intermediria 21
FIGURA 2.11: Superelevao 22
FIGURA 2.12: Representao de um veculo trafegando em curva 24
FIGURA 2.13: Diagrama de representao da superelevao 26
FIGURA 2.14: Bitola larga 27
FIGURA 2.15: Jogo de Bitola 28
FIGURA 3.1: Desalinhamento em tangente 31
FIGURA 3.2: Linha Desnivelada longitudinalmente 32
FIGURA 3.3: Desnivelamento Transversal (defeito de superelevao) 33
FIGURA 3.4: Alargamento de bitola 34
FIGURA 3.5: Estreitamento de Bitola 35
FIGURA 3.6: Variao da Bitola (g) 36
FIGURA 3.7: Toro 37
FIGURA 3.8 Clculo do empeno 38FIGURA 4.1: Desgaste Horizontal do boleto 49
FIGURA 4.2: Desgaste Horizontal do boleto em um trilho j invertido 49
FIGURA 4.3 : Socadora Plasser 51
FIGURA 5.1: Data Logging Trolley 53
FIGURA 5.2: Posio do sensor eletromecnico do Trolley 53
FIGURA 5.3: Display de LCD do Trolley (Fonte: Manual Abtus) 54
FIGURA 5.4: Mapa da MRS Logstica: (a) geral; (b) trecho Estudado 57
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FIGURA 5.5: Grfico de inspeo do TrackSTAR no trecho selecionado 59
FIGURA 5.6: Comparao entre medies de Bitola: (a)TrackSTAR. (b) Trolley 60
FIGURA 5.7: Curva 1 61
FIGURA 5.8: Curva 2 62
FIGURA 5.9: Plotagem dos dados coletados - Curva 1 63
FIGURA 5.10: Plotagem dos dados coletados - Curva 2 64
FIGURA 5.11 Grfico dos pontos representativos para bitola na Curva 1 65
FIGURA 5.12 Grfico dos pontos representativos para bitola na Curva 2 66
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LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1: Limites de Tolerncia do TrackSTAR 40
Tabela 5.1: Cronograma de medies e Tonelagem Bruta Circulante 63
Tabela 5.2: Comportamento dos pontos com maior variao nas medies
de bitola - (Curva1) 64
Tabela 5.3: Comportamento dos pontos com maior variao nas medies
de bitola - (Curva2) 65
Tabela 5.4: km 525+054 68
Tabela 5.5: Equaes e projees de MTBT para Curva 1 69
Tabela 5.6: Equaes e projees de MTBT para Curva 2 69
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1 - INTRODUO
1.1 Consideraes Gerais
No momento em que o iminente aumento da circulao de trens na malha da
MRS se concretiza concernindo s projees do volume de carga de seus clientes,
a atividade de manuteno se torna funo estratgica fundamental Companhia.
A gesto dos ativos da empresa deve disponibilizar seus materiais rodantes, via
permanente (VP) e sinalizao com confiabilidades cada vez mais altas e focar em
um efetivo tratamento das falhas.
No caso especfico da via permanente, a manuteno impacta diretamente no
fator segurana, proporcionando a reduo de acidentes, alm do conseqente
aumento da produtividade, j que uma VP em bom estado possibilita um aumento
da velocidade de circulao dos trens e a conservao do material rodante
circulante por sua superestrutura.
Esta condio transformou a atividade de manuteno da via permanente em
um fator crtico de sucesso, no momento em que os custos de manuteno cada
vez mais altos impactam significativamente na despesa total e consequentemente
na capacidade de se manter padres de qualidade satisfatrios.
1.2 Justificativa
O aumento da produo gera uma maior necessidade de manuteno, situao
que conflita com a dificuldade de intervalos de circulao para as intervenes. Por
isso, esta ao deve ser precisa e predita do momento da falha na superestrutura
para adequar a manuteno da VP com os intervalos cedidos para tal.
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Atualmente na MRS, a manuteno da Via Permanente predominantemente
corretiva, com atuao nos ajustes dos componentes da superestrutura ferroviria a
partir do relatrio de falhas gerado pelo veculo de avaliao de via Track STAR que
indica pontos ou trechos que devem sofrer a interveno. Esta prtica, apesar de
baseada em relatrios do Veculo de Avaliao de Via TrackSTAR, por muitas
vezes emprica, o carro ligado ao conceito de controle do estado da geometria da
linha e no ao de monitorao e, desta forma, vem sendo utilizado como um
detector de defeitos.
No existe atualmente um acompanhamento sistemtico da evoluo da
degradao da geometria da via, o que poderia propiciar uma base slida de dados
para a implantao de um modelo preditivo de manuteno da superestrutura
ferroviria, reduzindo, consequentemente, os custos de manuteno.
1.3 Objetivo
A proposta deste trabalho de um estudo em trecho especfico da via da MRS,
para implantao de uma abordagem preditiva de manuteno, que possibilite uma
deciso de interveno no momento certo, nem to precipitado (melhor adequao
dos recursos de manuteno/reduo de custos de manuteno), nem to atrasado
(o que pode ocasionar defeitos ou acidentes prejudiciais para toda a produo).
Este momento ser estimado por uma curva de tendncia que ir retratar a
degradao da geometria da Via versus seu nvel de utilizao, medido pelo ndiceTonelada Bruta Transportada - TKB.
Por foras de delimitao, objeto de estudo deste trabalho, a anlise realizada
em duas curvas, entre os km 525+000 e 526+000, no Ramal do Paraopeba,
municpio de Belo Vale, Minas Gerais. O referido trecho foi estrategicamente
selecionado, haja vista que a evoluo dos defeitos seria mais bem percebida em
funo da elevada freqncia a qual a VP solicitada na regio e elevada carga a
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que submetida, j que neste trecho circulam trens carregados e a carregar. Alm
disto, o perfil da linha, em curva, poder indicar nveis de desgaste maior que em
tangente. Portanto, busca-se estudar o comportamento da VP particularmente neste
trecho, com suas caractersticas nicas de perfil e infra-estrutura, para a proposta
futura do desenvolvimento de uma prtica de monitoramento dos parmetros de
superestrutura para toda a malha MRS, pois acredito que com esta mentalidade
ser possvel a maximizao de resultados positivos para os envolvidos na
manuteno da Via Permanente.
1.2 Organizao do trabalho
Alm desta introduo, o trabalho vem composto de mais cinco captulos, assim
relacionados.
O Captulo 2 traz uma reviso bibliogrfica que engloba a conceituao dos
elementos da Geometria da Via Permanente, tais como curvatura, bitola,
alinhamento, superelevao e nivelamento.
O Captulo 3 traz as formas de degradao da Via Permanente, relacionados
com os desvios nos parmetros geomtricos definidos no captulo anterior. Este
captulo apresenta, ainda, os limites de tolerncia dos parmetros da geometria.
O quarto captulo uma reviso bibliogrfica dos tipos de manuteno da Via
Permanente, focado na abordagem preditiva e na anlise da melhor forma deatuao para os defeitos de Bitola e Empeno.
No quinto Captulo, os dados obtidos das inspees quinzenais no campo so
analisados de forma a se obter a modelagem matemtica da formao/evoluo
dos defeitos de bitola no trecho estudado.
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O captulo 6 prope a adequao do estudo para o restante da malha da MRS,
atravs de um novo sistema de gerenciamento da manuteno, e um
monitoramento pelos relatrios do Track STAR. Aqui so sintetizadas as concluses
e recomendaes do estudo.
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2 GEOMETRIA DE VIA PERMANENTE
O monitoramento dos parmetros da geometria da via exige, antes de tudo, que
se conhea a realidade do trecho estudado com todas suas peculiaridades. A partir
da, pode-se definir uma anlise correta da qualidade dos componentes da
superestrutura e da prpria condio dos parmetros geomtricos.
Cada um destes fatores est relacionado um valor de tolerncia definido de
acordo com o trecho em questo de modo a garantir a qualidade da circulao,
melhor planejamento da manuteno, diagnosticar o nvel de degradao da via e
dimensionar os servios de correo geomtrica dos trechos mais crticos.
A seguir so apresentados, em maiores detalhes, cada parmetro.
2.1 Tangente
Um fator crtico que deve ser considerado, diz respeito ao traado da linha na
superfcie do terreno onde a mesma est assentada. Os dois traados que existem
so Curvatura e Tangente (reta)
Tangentes so segmentos de reta, partes integrantes da subdiviso do traado
planimtrico da Via, que unem duas curvas, tangenciando-as em projeohorizontal, conforme mostra a Figura 2.1. No esquema, a tangente T1 une a curva
C1 C2, enquanto a tangente T2 une a curva C2 C3.
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FIGURA 2.1 Planimetria geomtrica
Fonte: Duval (2001)
2.2 Curva Circular
A Figura 2.1 mostra, ainda trs exemplos de curvas circulares de raios
constantes: C1, C2 e C3. As curvas Circulares pode ser analisada e definida por
seus elementos principais, apresentados na Figura 2.2, onde:
TC: Ponto Tangente Curva
CT: Ponto Curva Tangente
O trecho TC-b-CT parte do desenvolvimento da curva e recebe o nome de
Circular;
As tangentes da curva a-TC e CT-c recebem a denominao de espiral;
R: Raio de curvatura;
AC: ngulo central: tambm chamado Grau de Curva e dado pela relao (em
funo de uma corda de 20 metros nesse caso):
=
RG
018020
Logo:
=
RG
92,1145
C: Corda da curva;
PI: Ponto de interseo;
f: Flecha. A flecha determinada pela relao
( )2
22
2
+=
CfRR
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Logo,
=
R
Cf
8
2
Sendo a curvatura K o inverso do Raio R, temos a flecha diretamenteproporcional curvatura:
=
8
2 KCf
FIGURA 2.2: Elementos de uma Curva Circular
Fonte: Duval (2001)
A medio das flechas de uma curva pode ser feita atravs dos relatrios dos
carros controle ou grficos gerados por alguma outra mquina/equipamento de Viaou manualmente a partir das flechas medidas no ponto central da corda entre
estacas posicionadas em dois pontos distintos da curva.
A Figura 2.3 exemplifica esta prtica, considerando que as distncias entre os
pontos adjacentes do ponto 1 ao 2, 2 a 3 e assim sucessivamente at o ponto n
de 10 m. Usa-se esta conveno nas ferrovias brasileiras, onde o valor de
referncia para a corda de 20 metros.
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FIGURA 2.3: Medio da flecha da curva a partir de corda de 20 m
Fonte: Setti (2006)
O diagrama mostrado na Figura 2.4 a representao da curva, onde o eixo Y
indica o valor da curvatura K, (ou em alguns casos, o valor da Flecha f) e no eixo X,a distncia no plano horizontal.
FIGURA 2.4: Diagrama da curva circular simples
Fonte: Setti (2006)
O raio da curva, quando apertado (pequeno) torna-se o principal parmetro de
restrio de velocidade dos trens, j que acarretam grande resistncia circulao.
Inversamente ao raio, temos o desgaste dos frisos das rodas e dos trilhos externos
da curva, ou seja, menores raios acarretam maiores ngulos de ataque, o que emconseqncia aumentam o desgaste no material.
Este realmente um fator prejudicial na ferrovia. Todavia, em situaes
topogrficas adversas, as obras com curvas de grande raios so normalmente
muito onerosas. DUVAL (2001)
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2.3 Curvas com transio (espiral)
Na maioria dos casos, a curva apresenta uma transio entre a circular (de raio
e flechas constantes) e a tangente. Este parmetro sugere que a inscrio na curva
seja feita de modo gradual, com raio variando de infinito (valor do raio na tangente)
at o valor R definido em projeto.
A transio chamada tambm de espiral de Van Leber, referncia ao
ferrovirio holands que primeiro a empregou. tambm conhecida como espiral
de Cornu , clotide.
A Figura 2.5 exemplifica o traado de uma curva com espiral, com os pontos
notveis TE (tangente-espiral) e EC (espiral-curva)
FIGURA 2.5 Curva com transio (espiral)
Fonte: Setti (2006)
A espiral tem a variao de curvatura linear, de zero a K, enquanto o raio varia
de infinito a R. O diagrama na figura 2.6 mostra o esquema no traado horizontal da
curva com transio.
FIGURA 2.6 Diagrama da curva com transio
Fonte: Setti (2006)
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Como a flecha associada diretamente curvatura, seu valor terico tambm
varia linearmente.
2.4 Curvas Compostas
DUVAL (2001) define as curvas compostas como: So duas curvas de mesmo
sentido e diferentes raios (R1 e R2), com uma concordncia entre elas prprias sem
que haja uma tangente intermediria.
FIGURA 2.7 Curva composta (representao e diagrama)
Fonte: Setti (2006)
As curvas compostas podem ser com ou sem transio, com uma sutil diferena
de flechas at a circular seguinte. O diagrama na Figura 2.8 apresenta a
representao grfica desta situao:
FIGURA 2.8 Diagrama de uma curva composta com espiral
Fonte: Setti (2006)
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2.5 Curva Reversa
Uma curva reversa formada por duas curvas de sentidos contrrios, de raios
R1 e R2 com uma concordncia entre elas. Da mesma forma como acontece nas
curvas compostas, a curva reversa pode ou no apresentar transio, como
apresentado nas Figuras 2.9 e 2.10:
FIGURA 2.9: Curva Reversa sem espiral
Fonte: Setti (2006)
(a)
(b)
FIGURA 2.10: Curvas reversas com espiral: (a) sem tangente intermediria (b) com
tangente intermediria Fonte: Setti (2006)
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DUVAL (2001) considera que uma curva reversa no admite a ocorrncia de
uma tangente entre as circulares. J SETTI (2006) considera que a ocorrncia da
tangente pode tambm formar uma curva reversa.
2.6 Superelevao
Denomina-se superelevao a diferena de cota entre os trilhos de uma linha
em curva. Ela acontece com a elevao do trilho externo da curva, em um valor
definido em funo do raio da curva e da velocidade mxima dos trens naquela
curva, conforme ilustrado na Figura 2.11.
FIGURA 2.11: SuperelevaoFonte: Duval (2001)
Em tangente, a linha deve se apresentar em nvel, com superelevao zero
(S=0). Na espiral, a superelevao cresce uniformemente, desde o valor zero,
no ponto que comea a curva de transio (TE), at o valor final, no incio da curva.
O trilho externo assume inclinaes crescentes e gradativas (S = S1). Na curva
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circular a inclinao ser constante, igual a S2 para decrescer na curva de transio
seguinte, uniformemente, at o valor zero, o ponto onde
inicia-se nova tangente (ET).
Segundo DUVAL (2001), as principais funes da superelevao na linha so:
Produzir uma melhor distribuio de cargas em ambos os trilhos;
Reduzir os defeitos superficiais e desgastes dos trilhos e materiais rodantes;
Compensar parcial ou totalmente o efeito da fora centrfuga com reduo de
suas conseqncias.
2.6.1 - Clculo da superelevao
Um veculo que se inscreve numa curva fica sofre a ao da fora centrfuga.
DUVAL (2001) afirma que a intensidade desta fora funo da velocidade do
veculo (v) e do raio de curva (R), conforme:
CCAmF =
sendo:
R
vA
C
2
=
logo :
R
vmFC
2
=
onde:
Fc = fora centrfuga;
m = massa do veculo
Ac = acelerao centrfuga exercida pela roda sobre o trilho, de mesma intensidade
da acelerao centrpeta, em m/s2
v = velocidade do veculo em m/s.
R = raio da curva em m.
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A Figura 2.12 representa um vago trafegando em uma linha em curva com
uma superelevao correspondente ao ngulo . Com isso, deduz-se que:
FIGURA 2.12: Representao de um veculo trafegando em curva
Fonte: Duval (2001)
cosP
senFC
=
Onde:
Fc = fora centrfuga
P = peso do veculo
Como um ngulo muito pequeno pode-se considerar que cos = 1, logo:
CFsenP =
Como:
R
VmF
C
2
= eB
hsen =
Onde:
h = superelevao
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B = distncia entre eixos dos trilhos
R
Vm
B
hP
2
=
R
VBh
m
P2
=
como P/m = g (acelerao da gravidade = 9,81 m/s2)
gR
VBh
=
2
como6,33600
1000 VVv =
= (para: V em m/s e v em Km/h)
tem-se que:
R
vB
gR
v
Bh
=
=
127
6,3 2
2
para h, B, R em metros e v em km/h
Este o valor terico para o clculo da Superelevao, mas na prtica adotam-
se valores distintos. Como na prtica os trens no operam sempre a uma
velocidade diretriz, DUVAL (2001) afirma que passa a ser necessrio se adotar um
critrio de clculo da superelevao no sentido de se obter uma melhor situao de
compromisso entre os trens leves (rpidos) e os trens pesados (lentos). Nesse
sentido algumas ferrovias adotam critrios como 2/3 do valorterico.
Em curvas compostas calcula-se a superelevao para cada raio, considerando-
se a mesma velocidade, respeitando-se o valor limite e os mesmos critrios de tipos
de trens em trfego. (SETTI, 2006)
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2.6.2 Rampa de Superelevao
Na espiral, onde os valores de curvatura e de flecha variam linearmente, aplica-
se a rampa de superelevao. Sendo a Superelevao um parmetro do plano
vertical da geometria, graficamente a rampa de superelevao se torna
equivalente a uma espiral no plano horizontal, como mostra a Figura 2.13. Nota-
se, porm que agora so representados os trilhos externo e interno, o que refora a
afirmao anterior de que o trilho externo que deve ser mais elevado em relao
ao interno.
FIGURA 2.13: Diagrama de representao da superelevao
Fonte: Setti (2006)
2.7 Bitola
Para LIMA (1998), a bitola da via o parmetro de maior importncia nadefinio das caractersticas geomtricas, exatamente por definir a base de uma
ferrovia. em funo da distncia entre os dois trilhos da via permanente que se
dimensiona o tamanho dos dormentes, quantidade de lastro e a bitola entre as
rodas do material rodante. O parmetro bitola pode ser analisado sob dois
aspectos: Bitola Carregada e Bitola Descarregada.
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O valor da bitola descarregada medido de 14 a 16 mm abaixo do topo do
boleto do trilho e tem como funo primordial servir de guia para o material rodante
que trafega na superfcie de rodagem da via.
No Brasil a bitola preponderante a mtrica ou estreita, com 1.000 mm. A bitola
da MRS chamada de larga, com 1.600 mm (Figura 2.14). Temos exemplos de
bitola larga na EFC (Estrada de Ferro Carajs) e em parte da FERROBAN. No
mundo, a bitola mais presente a considerada standard, com 1.435 mm.
FIGURA 2.14: Bitola larga
Fonte: Rodrigues (2001)
J a Bitola Carregada medida por Veculos de avaliao da Via que simulam a
passagem do veculo ferrovirio, com a aplicao de foras verticais e transversais
na via, de modo a avaliar a resistncia da linha com a passagem do trem.
2.8 Superlargura
A funo guia que a bitola exerce sobre o material rodante, ao contato dosfrisos das rodas sobre a lateral interna dos trilhos, exige uma folga denominada
Jogo de Bitola entre o friso e o trilho, conforme Figura 2.15, de DUVAL(2001),
onde:
J = jogo de bitola;
b = bitola da linha;
A = bitola do material rodante (E+F);
E = cota de eixamento;
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F = espessura do friso.
FIGURA 2.15: Jogo de Bitola
Fonte: Duval (2001)
Em curvas de Raio muito apertado (pequeno) e truques maiores, como os de
locomotivas (trs eixos), o jogo de bitola pode ser insuficiente, comprometendo o
livre rolamento do material rodante inscrio, exigindo que seja reduzido o valor de
A ou do prprio truque. Porm, a alternativa mais comum o aumento da bitola da
via nas curvas de raio apertado. Este incremento na bitola chamado Superlargura.
A MRS, no passado, utilizava superlargura em curvas de raio menor que 300
metros no trecho da Serra do Mar, no estado do Rio de Janeiro. Este recurso foi
abolido na companhia e substitudo pelo esmerilhamento e lubrificao do trilho
externo, para melhorar a inscrio do veculo na curva e reduzir o desgaste,
respectivamente. Na MRS a superlargura adotada era de 1610mm em curvas de
raio abaixo de 300 metros.
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2.9 Nivelamento da Via
Responsvel pelo perfeito rolamento do material rodante, o nivelamento um
parmetro que representa o eixo de projeto da altimetria da via permanente,
devendo ser analisado sobre dois aspectos:
Nivelamento Longitudinal: analisado comparando-se as cotas real e de
projeto para cada trilho (direito e esquerdo).
Nivelamento Transversal: consiste na cota de um trilho em relao ao outro
(direito e esquerdo) no sentido transversal da via.
O nivelamento ser melhor discutido no Captulo 3, onde sero expostos os
defeitos referentes a este parmetro.
2.10 Alinhamento da Via
O eixo em planimetria da Via Permanente sugere que qualquer desvio do
traado de projeto est fora dos padres de alinhamento. Como no nivelamento
longitudinal, o alinhamento representado para cada trilho (direito e esquerdo)
individualmente. LIMA (1998) sugere que o monitoramento deste parmetro seja
feito a partir da verificao da flecha em curvas, comparadas ao raio de projeto, e
tambm ponto a ponto ao longo da curva. Na tangente a base de medio podetambm ser uma corda de 20 metros ou extenses maiores, em funo do aparelho
de medio disponvel.
O alinhamento ser melhor discutido no Captulo 3, onde sero expostos os
defeitos referentes a este parmetro.
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3 DEFEITOS NOS PARMETROS GEOMTRICOS
Segundo definio de RODRIGUES (2001):
a superestrutura a parte da via permanente que recebe os impactos
diretos da carga, cujos principais elementos constitutivos so os trilhos, dormentes
e o lastro, que esto sujeitos s aes de degradao provocada pela circulao
dos veculos e de deteriorao por ataque do meio ambiente.
De fato, os desvios dos parmetros geomtricos da superestrutura da via
permanente so influenciados principalmente pela freqncia de uso, pela
velocidade dos trens, pelo volume de carga bruta transportada, pela estabilidade da
super e infra-estrutura ou ainda pelo fato de a Via estar apoiada sobre uma camada
de lastro que est sujeita a deslocamentos em todas as direes (LIMA, 1998).
O desvio geomtrico caracterizado pela diferena entre o parmetro real
(medido) e o definido em projeto. Se os desvios ultrapassam valores que definem
os limites de tolerncia estabelecidos pela ferrovia, passam a ser considerados
defeitos. Estes desvios, no tempo, caracterizam o que denominada degradao
da Via Permanente.
De forma geral, os desvios na geometria da via so agravados pela baixa
qualidade do material (dormentes, trilhos, componentes de fixao) socaria
insuficiente e raio de curva pequeno (apertado). A seguir so apresentados os
principais defeitos de geometria, e nota-se que cada um representa o desvio de umparmetro definido no Captulo 2: desalinhamento, desnivelamento, defeito de
Bitola, empeno e toro.
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3.2.2 Desnivelamento Transversal
O desnivelamento transversal pode ocorrer na tangente ou na curva. Na
tangente o defeito simplesmente a diferena de nvel (X) entre os dois trilhos em
relao ao plano horizontal, como mostra a Figura 3.3 (DUVAL, 2001).
FIGURA 3.3: Desnivelamento Transversal (defeito de superelevao)
Fonte: Duval (2001)
Na curva horizontal, que tem uma superelevao, o desnivelamento a
diferena de nvel entre os dois trilhos em relao a superelevao de projeto da
curva, ou seja, se a Figura 3.3 a seo transversal de uma linha em curva de
superelevao terica S, o tamanho do defeito ser a diferena entre S e X.
Quando em curva o desnivelamento transversal simplesmente chamado de
defeito de superelevao.
3.3 Defeito de Bitola
Quando o valor da bitola ultrapassa os limites de tolerncia estabelecidos para o
mesmo, ento existe um defeito de bitola. Os desvios no valor da bitola em tangente
acarretam problemas no alinhamento da via. Nas curvas, alm do mesmo problema
de alinhamento, reduzindo a segurana operacional, o defeito de bitola aumenta os
desgastes nos trilhos e nas rodas. (LIMA, 1998). O defeito de bitola pode ser
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avaliado sob dois aspectos: Alargamento e Estreitamento, que so descritos a
seguir.
3.3.1- Alargamento de Bitola (Wide Gauge)
Nesta avaliao, verifica-se o limite mximo admissvel para o valor da bitola.
Se o valor medido superior ao estabelecido, ento a linha est com alargamento
(Figura 3.4):
FIGURA 3.4: Alargamento de bitola
Fonte: Rodrigues (2001)
LIMA (1998) relaciona o defeito de alargamento de bitola a alguns fatores que
podem ser responsveis por este distrbio:
Dormentes em condies ruins ou laqueados;
Desgaste da placa de apoio;
Tirefonds frouxos ou orifcios desgastados;
Desgaste lateral do boleto do trilho;
Juntas quebradas ou com folga;
Raio de curva muito apertado;
Lubrificao Inadequada;
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Qualidade do material empregado (fixao, dormente, trilho);
TKB (Tonelada Bruta Transportada) elevado.
3.3.2 Estreitamento de Bitola (Narrow Gauge)
Nesta avaliao, verifica-se o limite mnimo admissvel para o valor da bitola. Se
o valor medido inferior ao estabelecido, ento a linha est com estreitamento
(Figura 3.5).
LIMA (1998) cita deformaes no lado interno do trilho, dormente defeituosos e
placas de apoio quebradas como os principais fatores causadores de estreitamento
na bitola da Via.
FIGURA 3.5: Estreitamento de Bitola
Fonte: Rodrigues (2001)
3.3.3 GWR
A diferena entre as medidas de bitola Carregada e Descarregada (g),
mostrada na Figura 3.6, em funo da fora lateral aplicada pelo TEV (Track
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Evaluation Vehicle, ou Veculo de Avaliao da Via) TrackSTAR, fornece o valor do
GWR (Gauge Widening Ratio).
O GWR no pode ser considerado um defeito, um parmetro da Via que ir
apontar abertura acima do valor limite de tolerncia decorrente principalmente de
problemas de fixao e dormentao inadequadas quanto maior for seu valor.
FIGURA 3.6: Variao da Bitola (g)
3.4 Empeno e Toro
Os fatores causadores dos defeito de nivelamento, so tambm responsveis
pelo aparecimento de Empeno e Toro na linha. Muito mais severos que os
demais defeitos de nivelamento, podem acarretar descarrilamento de trens e
ocorrem, com maior freqncia em linhas que possuem grandes quantidades de
juntas consecutivas.
O empeno indica a potencialidade de instabilidade para dois truques de um
mesmo vago, enquanto que a Toro focaliza a questo para os dois truques mais
prximos de vages contguos. (MUNIZ DA SILVA, 2002).
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3.4.1 Toro
Tambm chamado Twist, a toro a diferena entre a superelevao (SE1) de
um ponto (P1) de referncia e a superelevao (SE0) de um ponto (P0) medido
anteriormente, a uma distncia pr-determinada (bT), como mostra a Figura 3.7:
FIGURA 3.7: Toro
Fonte: Holemaker (2006)
Uma via com toro causa nos vages o chamado movimento de Twist, da seu
nome. A torso usada para indicar qual a diferena de inclinao entre os doistruques do vago.
3.4.2 Empeno (Warp)
a maior diferena entre superelevaes dentro de uma determinada distncia
base de warp (bW). O trecho considerado para anlise aquele que vai de bW/2
para trs at bW/2 para frente do ponto medido.
Na Figura 3.8, estamos estudando warp na posio P1. O clculo feito
tomando-se a maior superelevao em qualquer pontoentre P0 e P2. Em seguida,
busca-se a menor superelevao no mesmo trecho. No importa se esses pontos
esto antes ou depois de P1, apenas que eles estejam no trecho definido por bW. O
valor warp a diferena entre as duas superelevaes extremas encontradas.
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FIGURA 3.8 Clculo do empeno
Fonte: Holemaker (2006)
3.5 Tolerncias dos Parmetros de Geometria da Via
Como dito em todo este captulo, todo desvio medido na geometria da via se
torna defeito ao ultrapassar os limites de tolerncia, definidos para a ferrovia emquesto.
Em funo do desgaste do boleto em curvas de raio apertado (bitola),
velocidade e traado (alinhamento e nivelamento)
Segundo RODRIGUES (2001), embora hajam vrias teorias de classificao
das tolerncias, devem existir pelo menos os seguintes nveis:
de construo;
de segurana;
de conforto e
de manuteno.
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A tolerncia no nvel de construo aplicada para vias novas para checar a
qualidade do trabalho recebido. Como os componentes da via ainda esto novos,
essas tolerncias so as mais exigentes de todos os nveis. Esses valores so
tambm utilizados para o recebimento de obras de renovao e remodelao da
via.
Os valores das tolerncias no nvel de segurana so definidos de modo a evitar
a existncia de desvios, que podem gerar descarrilamentos da composio e
esforos acima das resistncias de apoio e fixao da via. So os valores definidos
e que a partir dos quais a circulao de veculos se torna insegura. Apontam
necessidade de servios urgentes de correo geomtrica, os quais possuem
prioridade sobre todos os demais.
O nvel de conforto define valores que venham a proporcionar bem estar aos
passageiros. utilizado largamente nas ferrovias de transporte de passageiros,
mas no se aplica s ferrovias de carga e por este motivo, no ser detalhado neste
trabalho.
Os valores das tolerncias de manuteno so definidos de modo a minimizar o
custo total da manuteno, estabelecendo-se, assim, o momento mais conveniente
para a interveno de manuteno.
A Tabela 3.1 apresenta os valores limites de tolerncia dos parmetros
geomtricos medidos pelo Veculo de Avaliao da Via TrackSTAR, da Holland,
nos trechos da malha da MRS.
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Tabela 3.1: Limites de Tolerncia do TrackSTAR
Fonte: PCM Via/MRS (2005)
As classes de via apontadas na Tabela 3.1 so definidas pela norma 213 da
FRA, artigo 9, e classifica as ferrovias de acordo com os nveis de qualidade da via
permanente, aspecto que vem a limitar ou definir as velocidades mximasautorizadas (VMA) de circulao, a saber:
Classe 1: VMA para circulao de trens de carga - 16 km/h;
VMA para circulao de trens de passageiros - 24km/h.
Classe 2: VMA para circulao de trens de carga - 40 km/h ;
VMA para circulao de trens de passageiros - 48km/h.
Classe 3: VMA para circulao de trens de carga - 64 km/h;
VMA para circulao de trens de passageiros - 96km/h.
Classe 4: VMA para circulao de trens de carga - 96 km/h;
VMA para circulao de trens de passageiros - 128km/h.
Classe 5: VMA para trens de carga - 128 km/h;
VMA para a circulao para trens de passageiros - 144km/h.
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A FRA ainda define uma classe extra, chamada Via Excepcional, com VMA de
16 km/h para trens de carga e circulao de trens de passageiros proibida.
Na malha da MRS, encontramos trechos que se encaixam nas classes 1 no
ptio de Santos, 2 no ptio de Raiz da Serra (Baixada Santista) e 3, na Linha do
Centro. J na ferrovia do ao, durante algum tempo adotou a classe 4 e depois
voltou para a 3. Mas isso no alterou a velocidade de circulao dos trens. Via
classificada na Classe 5 tambm no presente na MRS.
Atualmente esta classificao utilizada pelo Veculo de Avaliao da Via
TrackSTAR para verificar os limites mximos das imperfeies da via. Quanto mais
alta a classe, menor o limite de tolerncia e consequentemente maiores custos de
manuteno sero exigidos.
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4 MANUTENO DA SUPERESTRUTURA FERROVIRIA
Aps a construo da ferrovia e a definio dos nveis de tolerncia dos
parmetros geomtricos, tornam-se necessrias intervenes para manter os
parmetros geomtricos dentro das devidas faixas de tolerncia, de modo a garantir
a segurana da circulao dos veculos ferrovirios.
LIMA (1998) define a manuteno da Via Permanente como uma interveno
que utiliza-se de meios materiais e de mo de obra com o objetivo principal de
manter a geometria da via nos padres de qualidade, empregando racionalmente os
recursos de forma a disponibilizar o transporte.
A degradao dos componentes de via conseqncia direta da freqncia e
intensidade de esforos verticais e horizontais causados pelo material rodante
circulante na superestrutura.
Segundo RODRIGUES (2001) a degradao dos componentes da
superestrutura ferroviria varia em funo da qualidade do material empregado na
via, das caractersticas da infra-estrutura da via, do meio ambiente existente na
regio na qual o trecho ferrovirio est situado, do tipo da manuteno executada e
das caractersticas da operao a qual a via submetida.
4.1 Tipos de Manuteno da Superestrutura
As primeiras prticas de manuteno da Via Permanente eram feitas apenas
com medies de instrumentos simples como a rgua de bitola e superelevao e
inspees visuais feitas a p ou com auto de linha onde o Engenheiro Residente,
avaliava o estado geomtrico da linha, de uma forma totalmente emprica atravs
do comportamento do auto.
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O empirismo ainda existe hoje na manuteno da Via Permanente, o
direcionamento das aes quase sempre baseadas na experincia profissional de
Engenheiros Residentes e Supervisores de Via. Porm os mtodos de inspeo
evoluram e os registros hoje so mais confiveis, o que ao menos norteia a
aplicao dos recursos e a adoo de uma poltica de manuteno para
determinao do tipo e volume de servios a serem realizados e por conseqncia,
os custos envolvidos. So trs os tipos bsicos de Manuteno da Superestrutura
da Via Permanente: Manuteno Corretiva, Manuteno Preventiva e Manuteno
Preditiva, que o principal foco deste trabalho.
4.1.1 Manuteno Corretiva
o mtodo mais primrio de conservao. Na medida em que detectado um
defeito, h a necessidade de uma interveno. A manuteno corretiva pode ser
sintetizada pelo ciclo quebra-repara. a forma mais onerosa de manuteno, Os
servios no so planejados, ocorrem de forma salteada, ocasionando aplicao de
recursos irregulares e paralisaes no trfego inoportunas, que levam reduo da
produo e confiabilidade.
No h notcias de que se possa eliminar por completo a manuteno corretiva;
mesmo em sistemas mais evoludos, ocorrem avarias que exigem este tipo de
manuteno (RODRIGUES, 2001).
4.1.2 Manuteno Preventiva
o tipo de interveno que acontece de forma cclica programada, com uma
grande concentrao de recursos, mecanizao de grande porte (Mquina
Socadora, Esmerilhadora) e uma organizao em nvel de produo industrial,
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obtendo-se, com isto, uma significativa reduo de custos sem comprometer a
segurana do trfego.
realizada a intervalos fixos de tempo, independente do fato da condio do
equipamento j ter ou no um valor crtico de desgaste. Como conseqncia,
planos de manuteno preventiva podem trazer resultados inferiores aos esperados
e tornar onerosa a manuteno j que as intervenes so baseadas na crena de
que h uma relao entre a probabilidade de falha (confiabilidade) e o tempo em
operao (RODRIGUES, 2001). A realizao em excesso de servios de correo
geomtrica da superestrutura da via permanente ferroviria provoca a degradao
prematura do lastro. Por este motivo torna-se importante determinar o adequado
momento de intervir antes deste entrar em falha.
LIMA(1998) classifica os servios preventivos de trs formas, a saber:
a) Renovao e Substituio: Troca total ou parcial dos componentes da
superestrutura por novos (renovao) e reemprego de materiais com menos
desgaste no lugar de outros que j atingiram o limite de desgaste (substituio).
Como exemplos de servios ligados a esse tipo de interveno pode-se citar:
Substituio de dormentes;
Limpeza e recomposio do lastro;
Substituio dos trilhos gastos ou defeituosos;
Inverso de trilhos.
b) Reviso: acontece de forma rotineira, com o objetivo de no s remover os
defeitos j existentes, mas tambm os que esto em formao.
Os servios relacionados reviso peridica so, principalmente:
Puxamento de curvas;
Nivelamento da Via;
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componente, de modo que subsidiam um trabalho de determinao do momento
mais adequado (ponto preditivo) para a execuo de uma interveno preventiva,
minimizando trabalhos desnecessrios e reduzindo despesas. Vale ressaltar, aqui,
que a manuteno preditiva vem aliada a uma interveno preventiva, j que o
monitoramento e previso do momento da falha exigiro uma programao de
atividades de preveno da ocorrncia da falha, antes que a mesma acontea.
Como exemplos de instrumentos de inspeo de parmetros da superestrutura
ferroviria na MRS, pode-se citar:
Veculo de Avaliao da Via (TEV): A MRS utiliza o veculo TrackSTAR,
fabricado pela americana Holland. um caminho autopropulsado, dispondo
de um sistema rodoferrovirio. Utiliza emissores de laser e cmeras de
vdeos de altssima velocidade e definio para captao de imagens,
adquirindo os dados em tecnologia non contact. Adicionalmente, o Track
STAR est equipado com uma caixa inercial, que consiste em um conjunto
de giroscpios, acelermetros e sensores de posio de alta preciso, que
fornece dados como Toro, Empeno, Alinhamento, Nivelamento
Longitudinal, desgaste do trilho, bitola sem carga e carregada.
Trolley: equipamento leve e de propulso humana, o Trolley mede
parmetros da via como Toro, Empeno, Bitola, Superelevao, rampa e
nivelamento. de fcil manipulao e conta com sensores analgicos que
coletam os dados e enviam para uma CPU de bordo que decodifica as
informaes analgicas para digitais.
Ultra-som: Montado sobre uma estrutura parecida com o Trolley, o Ultra-som
avalia as condies mecnicas do trilho, detectando sinais de fadigas etrincas internas, atravs de emisso de raios X na superfcie do trilho.
Na MRS, atualmente, a manuteno tem como referncia principal os grficos
gerados pelo TrackSTAR e os conceitos de limite de Manuteno e limite de
Segurana. Se um parmetro qualquer, medido pelo Track STAR, estiver acima da
tolerncia definida para a classe da Via medida, ento se diz que este parmetro,
neste ponto especfico, rompeu ou ultrapassou o limite de segurana, sendo
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diagnstico de um ndice de degradao se faz necessrio, estabelecendo a
passagem entra aes preventivas e preditivas.
4.2 Seleo do mtodo de atuao
Independentemente do mtodo selecionado para a manuteno, deve-se ter em
mente que para cada tipo de desvio das condies normais de operao ou de
projeto implica em uma forma de atuao especfica, de modo a racionalizar custos
de material e mo de obra e aplicao de componentes.
foco deste trabalho um estudo sobre o comportamento, em curvas, da
degradao de dois parmetros bsicos de Via permanente: Bitola aberta e
Empeno.
Para tanto, seguem referncias para definies de atuao com maior
aproveitamento de recursos para os dois parmetros em questo.
4.2.1 Bitola Aberta
Como explanado nos captulos 2 e 3, os principais causadores deste defeito em
curvas so, desgaste horizontal do boleto, raios apertados que foram o trilho
externo e a qualidade do material empregado.
No atrito das rodas do veculo ferrovirio na lateral do boleto externo da curva,
ocorre um desgaste do material, sendo detectado, em conseqncia, uma bitola
aberta. Se este desgaste horizontal, mostrado na Figura 4.1 exercer grande
influncia na abertura da bitola (cerca de 10 a 17% do total do boleto), existe um
valor de bitola maior que o definido em projeto. Por exemplo, uma bitola de 1632
milmetros exige uma atuao corretiva. No entanto, se o boleto apresentar um
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desgaste horizontal que influencie neste valor em 20 milmetros, um trilho com a
lateral sem desgaste pode ser utilizado no local, de modo que teremos uma bitola
de 1612 milmetros, dentro dos limites de tolerncia e sem a necessidade de uma
correo da bitola. Como a rea desgastada no compromete a segurana da
circulao, este trilho pode ser utilizado em outra curva, porm com a lateral de
contato invertida. Por isso, na situao descrita, o servio ideal a Inverso de
Trilho.
FIGURA 4.1: Desgaste Horizontal do boleto
Supondo uma situao em que o trilho j invertido apresente o mesmo
desgaste, agora na lateral que estava intacta na ocasio da inverso. O trilho nopode ser mais uma vez invertido, pois j perdeu mais de 30% de sua rea, podendo
quebrar a qualquer momento e comprometer a segurana da circulao, como se
v na Figura 4.2. Assim, a melhor deciso mesmo uma Substituio do Trilho
por outro novo, sucatando o material substitudo.
FIGURA 4.2: Desgaste Horizontal do boleto em um trilho j invertido
h - influnciado desgastehorizontal na
bitola
Trilho invertido
- perda de rea
acentuada
h - influncia do
desgaste
horizontal na
bitola
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Nas situaes em que a bitola se apresenta aberta e no existe desgaste
significativo da lateral do boleto, sinal que a abertura causada por um desgaste
na placa de fixao ou dormente danificado. A melhor interveno, neste caso, se
mostra como sendo a Correo de Bitola, ajustagem da distncia entre as duas
filas de trilhos medida de 1600 milmetros, com a retirada da fixao antiga,
reposicionamento da fila de trilhos na distncia correta, nova furao e fixao
completa.
Se a diferena entre o valor medido da bitola com carga e a descarregada for
elevada, o que representa um valor de GWR alto, temos a indicao que os
dormentes e a fixao no local no esto exercendo suas funes adequadamente,
de modo que se deve fazer uma Consolidao da Fixao ou uma Substituio
de Dormentes.
4.2.2 Empeno
Como dito no item 3.4, se temos uma linha perfeitamente nivelada e alinhada,
no existe Empeno, j que os fatores que desalinham ou desnivelam a via so
tambm os causadores do Empeno. A forma de atuao mais indicada para a
eliminao deste defeito a Correo Geomtrica, que pode ser classificada em
Correo Geomtrica Manual ou Correo Geomtrica Mecanizada.
A Correo Geomtrica Manual mais indicada nas correes de pequenas
extenses utilizando-se ferramentas e pessoal, englobando, principalmente, osservios de Alinhamento, Nivelamento e Socaria da Via Permanente (LIMA, 1998).
O alinhamento de curvas feito utilizando o mtodo das flechas, a partir da
utilizao de uma corda e uma trena para a medio das flechas. O procedimento
de Nivelamento efetivado com macacos que iam a linha e adicionando lastro
embaixo dos dormentes. J a socaria manual mais usada em locais onde no h
a possibilidade de utilizao de outros mtodos e feita utilizando picareta de soca
e fora humana.
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A Correo Geomtrica Mecanizada feita com mquinas de grande porte,
como a Socadora/Niveladora de Lastro, mostrada na Figura 4.3. A Socadora
Levanta a via verticalmente e ajusta lateralmente, preenchendo embaixo dos
dormentes com lastro. Tudo isso pode ser feito para at trs dormentes
simultaneamente.
FIGURA 4.3: Socadora Plasser
Fonte: SETTI (2006)
Devem ser verificadas as condies da via (trilhos, dormentes, fixaes) paragarantir a estabilidade aps a correo geomtrica, e se tem lastro suficiente para
garantir a socaria sob os dormentes, descarregando brita para completar quando
necessrio. Devem ser verificadas as juntas e os pontos fixos, como PN's, pontes,
pontilhes, etc., tambm prevendo-se a sua correo (SETTI, 2006).
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FIGURA 5.1: Data Logging Trolley
Fonte: Abtus (2006)
Nada mais do que um arranjo de duas estruturas de hastes tubulares,
denominadas Viga principal e Moldura em A, com os referidos sensores eletro-
mecnicos dispostos em quatro posies e em contato contnuo com a linha de
bitola do trilho (Figura 5.2). Trs destes sensores se localizam na Moldura em A,
posicionada em uma fila de trilho, esquerda do sentido de operao e o quarto
sensor fica posicionado na Viga Principal, montada ortogonalmente Moldura em A
e assentada na fila de trilho oposta.
FIGURA 5.2: Posio do sensor eletromecnico do Trolley
Fonte: Abtus (2006)
Os sensores extremos da Moldura em A esto eqidistantes 0,75m do sensor
central, o que permite que os dados sejam coletados em intervalos mltiplos de
0,75m at 6 metros. Deslocando o aparelho ao longo da linha, os quatro sensores
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fornecem uma medio contnua da Bitola da linha, a sua Superelevao (SE),
Toro, Inclinao (Gradiente) e Corda1. O parmetro Empeno calculado pelo
software que acompanha o instrumento posteriormente definio da distncia pelo
usurio 2.
As medidas analgicas so transformadas em valores digitais atravs de uma
CPU com display de LCD, acoplada haste de operao da Viga Principal e
apresentado no esquema da Figura 5.3. Esta CPU alimentada por uma fonte DC
de 12V que posicionada na Viga principal.
FIGURA 5.3 - Display de LCD do Trolley
Fonte: Manual Abtus
O relatrio de sada gerado pela CPU e transferido para um software
especfico para o ambiente Microsoft Windows. Da, os dados podem ser
exportados para MS-Excell, de forma a tornar mais amigvel o tratamento e anlise
dos resultados das medies.
1Gradiente e Corda medidos pelo Trolley so simplesmente ignorados na MRS, por ser uma base de
medida muito curta, menor que a base rgida de truque dos vages de manga T.2 Na MRS adota-se a distncia de 20 metros, referente medida entre os truques do vago de maior
comprimento utilizado pela operadora, vago plataforma de manga S - PGS
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5.1.1 Histrico
Originrio das ferrovias Britnicas, o Trolley largamente empregado na
Espanha, onde qualquer servio de correo da geometria em trechos curtos, como
em peras de carregamento, ptios industriais, ramal ferrovirio curto, ptios de
cruzamentos, realizada manualmente por empreiteiros. O equipamento ento
utilizado para conferncia dos servios executados.
Pioneira no Brasil na utilizao do Trolley, a MRS adquiriu o primeiro
equipamento no incio de 2001, os outros trs existentes na empresa atualmente
chegaram em 2004 e 2005. Apesar de no ser uma ferramenta para coleta contnua
de dados da VP, j que operado manualmente (empurrado), o Trolley foi
empregado na MRS na medio de mais de 100 Km de linha em trechos crticos da
malha, tentando suprir a lacuna de um veculo com sistema de medio contnua
embarcado. Esta metodologia s mudou em meados de 2002, quando a MRS
adquiriu o Track STAR.
Atualmente na MRS, o Trolley utilizado como verificador da socaria de linha
imediatamente aps a passagem da socadora Plasser em determinado trecho, para
a garantia da qualidade do servio de correo geomtrica no mesmo. S aps a
passagem do Trolley no trecho corrigido que o servio aceito. Esta mentalidade
foi adotada aps os seguidos acidentes aparentemente inexplicveis em trechos
recentemente socados e corrigidos pelas Plasser entre 2003 e 2005 cujas causas
foram identificadas como defeitos de geometria de via. Alm disto, o aumento da
taxa de defeitos detectados pelo TrackSTAR em trechos em que a socadorarealizava servios periodicamente ficava sem uma justificativa consistente, pois no
havia verificao da socaria.
Com o aumento previsto da demanda de transporte de cargas, os defeitos de
Via Permanente se agravam, o que invariavelmente aumenta o risco real de
descarrilamentos.
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5.2 O Trecho Estudado
A proposta do trabalho, de se possibilitar a utilizao das tcnicas de
manuteno preditiva na superestrutura ferroviria mediante o desenvolvimento de
um modelo de degradao estabelecido individualmente para cada trecho e a
conseqente estimativa da poca mais adequada para realizao de todos os
servios de manuteno da VP, partiu de uma idia piloto em duas curvas em um
trecho de 1 quilmetro de linha no municpio de Belo Vale, Minas Gerais. O trecho
situa-se no Ramal do Paraopeba, com 149.511 metros de linha na parte Norte da
Malha da MRS, entre os ptios de Joaquim Murtinho e Barreiro. A Figura 5.4 mostra
a localizao do trecho na malha da MRS.
(a)
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(b)
FIGURA 5.4: Mapa da MRS Logstica: (a) geral; (b) detalhe do trecho estudado
Fonte: MRS (2006)
O trecho dos mais solicitados da malha da MRS, dada sua localizao ser
acesso a cinco dos oito terminais de carregamento de minrio de ferro. Por ser o
trecho em via singela, o trfego em dois sentidos (trens vazios e carregados) com
velocidade mxima autorizada de 64Km/h (Classe 3). Outras caractersticas
operacionais significativas do local so:
Elevada tonelagem circulante: cerca de 450 milhes de Toneladas Brutas X
Quilmetro (TKB) mensais, uma das maiores da MRS, justificada pela
posio do trecho que d acesso aos principais pontos de Carregamento de
Minrio por onde passam, diariamente, trens vazios e Carregados;
Curvas de pequenos raios: devidas principalmente pelas condies
topogrficas de relevo montanhoso e subsolo rochoso, alm de definies de
projeto que no previam as atuais velocidades operacionais e tonelagem
transportada to elevada;
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Necessidade de alto esforo trator: neste trecho os trens carregados so
auxiliados por uma dupla de locomotivas na cauda, com a finalidade de
vencer a rampa do local.
O quilmetro selecionado situa-se a 3 km do ptio de Belo Vale, no sentido de
exportao das cargas. Existem duas nomenclaturas para as quilometragens de via
na MRS: o chamado Quilmetro Histrico, que retrata as medidas originais de
projeto e construo, e o Quilmetro Real, que contempla alteraes na malha, tais
como linhas variantes, correes geomtricas e desvios construdos ao longo dos
anos.
O local das medies sito no km 528+555 (quilmetro real), mas neste
trabalho ser tratado pela nomenclatura Histrica (525+000). A Figura 5.5 traz o
grfico da inspeo mais recente at a data da execuo desta pesquisa pelo
TrackSTAR. Podem-se notar os valores de oito parmetros da superestrutura e
ainda os limites de tolerncia para cada parmetro. A inspeo do Veculo
apresentada na figura foi realizada no dia 3 de maro de 2006, indicando um nico
defeito: um empeno de 52, 94 mm na primeira curva do trecho
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FIGURA 5.5: Grfico de inspeo do TrackSTAR no trecho selecionado
Fonte: SSE/MRS (2006)
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A ttulo de comparao, prudente que se confronte a medio mais recente do
TrackSTAR no trecho com a medio do Trolley, mesmo que esta tenha sido
realizada aproximadamente um ms aps (31/03/06) e o trecho ter sofrido
pequenas intervenes. A Figuras 5.6 apresenta detalhes do parmetro bitola no
grfico de inspeo do TrackSTAR (a) e os dados colhidos com o Trolley na
primeira medio(b) (Apndice 1).
(a)
Bitola Km 525 (Tolley)
1560
1570
1580
1590
1600
16101620
045
90
135
180
225
270
315
360
405
450
495
540
585
630
675
720
765
810
855
900
945
990
Posio (m)
Bitola(m
31/03/06
(b)
FIGURA 5.6 Comparao entre as medies de Bitola:
(a) TrackSTAR. Fonte: SSE/MRS (b) Trolley
O foco da anlise foi dado nas duas curvas existente no km 525+000 at o km
526+000. As Figuras 5.8 e 5.9 apresentam os desenhos planimtricos das referidas
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curvas, aqui denominadas Curva 1 e Curva 2, obedecendo quilometragem
crescente. importante que se diga que os servios de correo geomtrica e de
bitola foram realizados antes do incio das inspees desta pesquisa e nenhum
outro servio de via foi executado durante as coletas de dados para o presente
trabalho, para que no prejudicassem os valores medidos.
FIGURA 5.7: Curva 1
Fonte: Engenharia de Obras Especiais/MRS
FIGURA 5.8: Curva 2
Fonte: Engenharia de Obras Especiais/MRS
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Os pontos TE, EC, CE, ET indicam os pontos notveis da curva, definidos no
Captulo 2. As figuras 5.8 e 5.9 apresentam, ainda, os valores de raio (R) e
comprimento total (Dt) de cada curva.
A Curva 1 abrange o intervalo que se inicia no incio do quilmetro 525 e se
estende at o ponto 525+333. J a Curva 2, com 293 metros de comprimento, inicia
no Km 525+ 591 at 525+885.
5.3 Anlise dos dados
As inspees foram realizadas quinzenalmente entre os meses de maro e
junho, totalizando cinco amostras com o Data Logging Trolley. Como projeto piloto
para intervenes preditivas na via permanente, foi escolhida a monitorao da
evoluo da bitola no trecho selecionado.
A proposta da manuteno preditiva da Via Permanente neste trabalho vem
confrontar as teorias empricas que levam em considerao o fator tempo como a
principal referncia para a degradao da Via. O que proposto aqui uma
abordagem relacionada a tonelagem bruta circulante na superestrutura, dado que
este o principal agente mensurvel da degradao da Via. Sabe-se que as
intempries ambientais e a qualidade dos materiais empregados na superestrutura
influenciam significativamente nos parmetros analisados, porm foge do escopo
desta pesquisa este tipo de anlise. Para efeito de definio do comportamento dos
parmetros, ser considerada a via como homognea, isto , com os dormentes,tirefonds e placas de fixao nos mesmos estados de conservao.
Os dados foram coletados em cinco amostras, num intervalo quinzenal entre as
medies. A Tabela 5.1 apresenta as datas das inspees e as referidas MTBT
(Milhes de Toneladas Brutas Transportadas). Considera-se que na data da
primeira medio iniciou-se a contagem acumulada dos valores de MTBT, por isso
o primeiro valor nulo.
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TABELA 5.1: Cronograma de medies e Tonelagem Bruta Circulante
Data da Medio MTBT31/3/2006 014/4/2006 1,5
28/4/2006 3,217/5/2006 4,82/6/2006 6,3
5.3.1 Medies de Bitola
Os valores coletados do parmetro bitola, apresentados nos Apndices 1 a 5,mostraram comportamentos que dificultam uma anlise da evoluo de todos os
pontos simultaneamente, como mostra o grfico da Curva 1, na Figura 5.10 e da
Curva 2 na Figura 5.11.
CURVA "1" - BITOLA
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
012
24
36
48
60
72
84
96
108
120
132
144
156
168
180
192
204
216
228
240
252
264
276
288
300
312
324
POSIO (m)
0 MTBT (31/03/06)
1,596 MTBT (14/04)
3,193 MTBT (28/04)
4,785 MTBT (17/05)
6,377 MTBT (02/06)
FIGURA 5.9: Plotagem dos dados coletados - Curva 1
-
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CURVA "2" - BITOLA
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
591
600
609
618
627
636
645
654
663
672
681
690
699
708
717
726
735
744
753
762
771
780
789
798
807
816
825
834
843
852
861
870
879
POSIO (m)
BITOLA(m
0 MTBT (31/03/06)
1,596 MTBT (14/04)
3,193 MTBT (28/04)
4,785 MTBT (17/05)
6,377 MTBT (02/06)
FIGURA 5.10: Plotagem dos dados coletados - Curva 2
Por esta razo, o critrio adotado para o tratamento dos dados obtidos foi a
seleo de quatro pontos representativos, onde a variao dos valores obteve maior
variao absoluta em cada regio das curvas (circular e espirais), se comparadas
as medidas de abertura de bitola entre a primeira e ltima inspeo. A partir da,cada ponto teve sua evoluo observada em relao ao correspondente MTBT
(Tabelas 5.2 e 5.3).
Tabela 5.2: Comportamento dos pontos com maior variao nas medies de bitola
- (Curva1)
0 1,5 3,2 4,8 6,4
054 1596,7 1600,1 1600,3 1600,3 1602,1159 1595,7 1599,4 1599,8 1600,3 1602,3
165 1599,8 1603,3 1603,8 1603,8 1605,8
255 1596,5 1600,3 1600,3 1601,5 1602,7
Distancia:
525+
MTBT
-
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Tabela 5.3: Comportamento dos pontos com maior variao nas medies de bitola
- (Curva2)
0 1,5 3,2 4,8 6,4
627 1595 1599,2 1599,3 1602,5 1604,6678 1598,6 1600,7 1600,9 1603 1604,1786 1591,3 1593,7 1595,6 1599,3 1601,4816 1595,6 1597,1 1599,3 1600,7 1602,6
Distancia:525+
MTBT
Os quatro pontos representativos foram estrategicamente escolhidos por
abranger diferentes regies das curvas. Em ambas as tabelas, o segundo e terceiro
ponto so parte da Circular das curvas. J o primeiro e quarto pontos situam-se nas
espirais. Com isso, foram plotados os grficos das duas curvas que so
apresentados nas figuras 5.12 e 5.13 a seguir.
Curva "1"
1570
1580
1590
1600
1610
1620
1630
1640
0 1,5 3,2 4,8 6,4
MTBT
Bitola(m
m)
525+054
525+159
525+165525+255
Limite de Segurana
Limite de Manuteno
FIGURA 5.11 Grfico dos pontos representativos para bitola na Curva 1
-
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Curva "2"
1570
1580
1590
1600
1610
1620
1630
1640
0 1,5 3,2 4,8 6,4
MTBT
Bitola(mm)
525+627525+678
525+786
525+816
Limite de Segurana
Limite de Manuteno
FIGURA 5.12 Grfico dos pontos representativos para bitola na Curva 2
Neste caso, temos que a varivel independente MTBT (X) exerce influncia nos
valores da bitola (Y) de uma forma que, se aproximarmos os pontos a um eixo
mdio, teremos uma reta, dada pela equao geral Y= a + bX+ U. O parmetro b
indica a influncia do MTBT sobre a medida de bitola. O parmetro a (termo
constante) indica a ausncia de alterao significativa da Bitola entre unidades de
observaes, no mbito da amostra utilizada, depois de descontada a influncia davarivel independente. O termo aleatrio U expressa a influncia de um conjunto de
variveis individualmente irrelevantes, que no figuram explicitamente no modelo, e
que produzem um desvio em relao ao que a varivel dependente deveria ser, se
a relao fosse determinstica. Considerando a ausncia de autocorrelao ou
independncia do termo U em relao a X e a abordagem pelo Mtodo dos Mnimos
Quadrados, que obtm as estimativas dos parmetros a e b, a partir de uma
amostra de valores Yi e Xi , de modo que os erros ou resduos sejam mnimos,ento temos que E (ui Xi ) = 0. (RODRIGUES, 2001)
Utilizando o Modelo de Regresso Linear Simples (FONSECA E OUTROS,
1985) queremos estimar em qual valor de MTBT a reta de um dos quatro pontos
representativos ir ultrapassar o Limite de Segurana de 1632 mm. Sabe-se que as
equaes normais para o Mtodo dos Mnimos Quadrados so:
-
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)(
)(2 II
I
XbXaXY
XbnaY
+=
+=
Onde n o nmero de amostras.
Na determinao de ae b, podemos, primeiramente dividir todos os termos da
equao (I) por n, assim:
n
Xb
n
na
n
Y +=
Sendo Yn
Y=
e Xn
X=
, ento:
XbaY += ou ainda:
XbYa =
Substituindo o valor de a na equao (II):
( ) += 2XbXXbYXY
+= 2XbXXbXYXY ou:
( )
= n
XXbn
XYXY
2
2
Portanto:( )
n
XX
n
XYXY
b
=2
2
5.3.1.1 Clculos para estimativa das retas dos pontos representativos e projees
de MTBT para a bitola.
Usaremos as equaes de a e b deduzidas no item anterior para determinarmos
as equaes das retas de cada ponto selecionado para a anlise. Para facilitar os
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clculos, foram elaboradas tabelas individuais para cada ponto, classificando cada
medida de bitola como Yi, onde i varia de 1 a 5 e cada valor de MTBT como Xi, com
i variando de 1 a 5. A seguir ser mostrado a deduo da equao da reta referente
ao ponto 525+054, como exemplo de aplicao da metodologia que foi utilizada
para os demais.
Tabela 5.4: km 525+054
i Yi Xi XiYi X
1 1596,7 0 0 0
2 1600,1 1,5 2400,15 2,25
3 1600,3 3,2 5120,96 10,24
4 1600,3 4,8 7681,44 23,04
5 1602,1 6,4 10253,44 40,96
7999,5 15,9 25455,99 76,49mdia 1599,9 3,18
A partir dos dados da Tabela 5.4, podemos definir os valores de a e b como a
seguir:
( )5
49,7649,76
5
9,155,799999,25455
=
b = 0,287
18,3287,099,1599 =a = 1598,986
Portanto, para o ponto 525+054, temos a equao:
MTBTBITOLA 287,0986,1598 +=
Projetando-se os valores de bitola para 1625mm e 1632mm, valores que
correspondem aos limites de manuteno e segurana, respectivamente, temos que
a bitola atingir o primeiro valor quando a tonelada bruta transportada atingir o valor
aproximado de 90,55 MTBT e s se tornar defeito, ou seja, atingir o valor de 1632
mm com 115 MTBT.
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Seguindo a mesma metodologia, as equaes das retas dos demais pontos
foram traados. A Tabela 5.5 sintetiza todas as equaes e os valores de MTBT
para os limites de segurana e manuteno para a curva 1 enquanto a Tabela 5.6
estabelece o mesmo para a curva 2.
Tabela 5.5: Equaes e projees de MTBT para Curva 1
Posio Equao MTBT para 1625mm MTBT para 1632mm
525+054 Y=1598,986+0,287X 90,55 115
525+159 Y=1598,327+0,369X 72,32 91,29
525+165 Y=1602,261+0,327X 69,57 90,99
525+255 Y=1599,129+0,355X 72,76 92,45
Tabela 5.6: Equaes e projees de MTBT para Curva 2Posio Equao MTBT para 1625mm MTBT para 1632mm
525+627 Y=1598,244+0,590X 45,36 57,23
525+678 Y=1600,35+0,349X 70,63 90,69
525+786 Y=1594,101+0,679X 45,52 55,83
525+816 Y=1597,585+0,461X 59,5 74,69
O momento adequado da interveno de manuteno preditiva (ponto preditivo)
de cada trecho em que se subdivide a via dever ser determinado pela intercesso
da reta de estimao da degradao com a reta do valor crtico
Observando-se as projees calculadas para os limites definidos, temos que a
interveno dever acontecer passagem de 90,99 MTBT para a Curva 1 e 55,83
MTBT para a Curva 2, j que pelo menos um ponto da curva ultrapassou o limite de
segurana nestes valores. Se considerarmos a mdia mensal para o ano de 2006
at o ms de junho como sendo 3,1 MTBT, e o acumulado entre as medies igual
a 6,4 MTBT, o servio de bitola acontecer aproximadamente em setembro de 2008na Curva 1 e setembro de 2007 para a Curva 2.
Segundo a poltica de manuteno da Via na MRS, que atua segundo a
definio do limite de manuteno estas datas cairiam para janeiro de 2008 na
Curva 1 e Junho de 2007 na Curva 2.
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6- CONCLUSES E RECOMENDAES
A partir da anlise da evoluo da abertura da bitola, podemos dizer que a
mesma tem um comportamento linear em relao tonelagem circulante na
superestrutura, podendo-se obter o ponto preditivo facilmente atravs da tcnica de
Regresso Linear.
Os prazos aqui estimados realmente no condizem com a realidade das
atividades de Via Permanente, j que um prazo de intervalo entre intervenes
nunca poderia ser de dois anos, como foi calculado aqui. Este dado seria confivel
se houvesse a garantia de que todos os demais componentes da superestrutura
no sofressem degradao e as condies climticas se mantivessem constantes
durante todo o ano. Por isso, torna-se invivel gerir a manuteno da Via
Permanente apenas pelo fator da carga circulante.
Contudo, faz-se necessria a adoo da manuteno preditiva para a via
permanente porm com uma abordagem diferenciada. Como em RODRIGUES
(2001), a inter-relao entre a degradao da superestrutura da via permanente
ferroviria e seu nvel de utilizao pode ser quantificada mais adequadamente a
partir da segmentao da via em trechos que considere suas caractersticas
tcnicas de implantao, manuteno e operao e a partir dessa segmentao, o
momento da interveno de manuteno na superestrutura da via permanente
ferroviria pode ser determinado por um ndice que represente sua degradao
para qualquer segmento da via, cuja inter-relao entre seu valor relativo e o nvel
de produo possa ser avaliado de forma estatisticamente robusta.
O TrackSTAR uma excelente ferramenta para o monitoramento das condies
dos materiais aplicados, tanto fixao e dormentao, pois fornece o gauge,
fundamental na anlise das condies destes componentes, quanto rea do boleto
do trilho, atravs da leitura do perfil do boleto e clculo pelo software Winpals. O
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desenvolvimento de um sistema de gerenciamento da manuteno que esteja em
conformidade com os dados do veculo, poder estimar as equaes de vrios
outros parmetros referentes a cada trecho cadastrado e calcular alm do ponto
preditivo, o servio mais adequado a ser realizado no local.
Na MRS, a gerncia de Via Permanente de Minas Gerais j desenvolve
trabalho semelhante, onde um controle simples de evoluo considerando somente
o tempo como fator de degradao da bitola indica o momento em que dever
acontecer a manuteno e baseado num histrico do ltimo servio executado em
um dado local (inverso de trilho, substituio de trilho, correo de bitola ou
consolidao da fixao) definido como ser a prxima interveno. Isso facilitasignificativamente as estimativas da necessidade de material, mo-de-obra e
equipamento, e a elaborao da programao dos servios de manuteno da via
permanente.
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7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
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DUVAL, Ernani. Curso de Via Permanente Ferroviria. 2001. 24 p. FerroviaCentro Atlntica, 2001
FONSECA, Jairo Simon da. Estatstica aplicada por Jairo Simon da Fonseca,Gilberto de Andrade Martins e Geraldo Luciano Toledo. 2.ed. So Paulo: Atlas,1985.
HOLEMAKER. Trolley de medio de Via Permanente, Modelo TM50 Stanley, 2005.[on line] Disponvel http://www.holemaker.com.br
LIMA, Henrique Alexandre Dourado. Procedimento para seleo de mtodo demanuteno para a superestrutura ferroviria. 1998. 123 p. Dissertao(Mestrado em Cincias em Engenharia de Transportes) Instituto Militar deEngenharia,1998.
MUNIZ DA SILVA, Luiz Francisco. Fundamentos Terico-experimentais daMecnica dos Pavimentos Ferrovirios e Esboo de um Sistema deGerncia Aplicado Manuteno da Via Permanente. 2002. 333 p. Tese(Doutorado em Engenharia Civil) - Universidade Federal do Rio de Janeiro,COPPE, 2002.
RODRIGUES, Carlos Alceu. Contribuio ao Planejamento da ManutenoPreditiva da Superestrutura Ferroviria. 2001. 260 p. Tese (Doutorado emCincias em Engenharia de Transportes) - Universidade Federal do Rio deJaneiro, COPPE, 2001
SETTI, Joo Bosco. Curso de Geometria de Via Permanente. 2006. InstitutoMilitar de Engenharia, Academia MRS, 2006.
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