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A avaliação da rigidez é importante, contudo, uma vez que esta não é constante ao longo da via, é sobretudo importante avaliar as suas variações. Com o intuito de responder a este novo desafio entidades gestoras das infraestruturas ferroviárias e investigadores de diversas universidades uniram esforços no sentido de criar um sistema que permita efetuar a avaliação contínua da rigidez da via.

O princípio geral de funcionamento destes sistemas consiste na aplicação controlada de uma carga móvel e medição do deslocamento que resulta do peso do veículo e da deformabilidade da via. A passagem do veículo a determinada velocidade excita a via com frequências induzidas pela distância entre eixos do veículo, pelas irregularidades na via e rodas do veículo e pelo espaçamento entre travessas. Para além desta excitação com caráter marcadamente aleatório o sistema da Banverket permite ainda a excitação controlada da via, ou seja, a aplicação de uma solicitação com determinada frequência.

Deste modo, o valor da rigidez obtido nas medições efetuadas com esta técnica depende muito de fatores como a velocidade de circulação, uma vez que esta condiciona a frequência de excitação induzida à via e consequentemente o valor de rigidez obtido, e a presença de irregularidades, pois os deslocamentos medidos compreendem não só o deslocamento que resulta da deformabilidade da via mas também o deslocamento devido às irregularidades. De referir ainda que a escolha da resolução espacial da medição é importante para assegurar adequada prospeção uma vez que ao longo da via podem ocorrer grandes variações de rigidez em curtas distâncias (Berggren, 2009).

Integrado no projeto de investigação EUROBALT II (1997-2000), a Banverket iniciou o desenvolvimento de um sistema para medição contínua da rigidez da via, o RSMV (Rolling

Stiffness Measurement Vehicle, que consistia num trolley, transportado pelo veículo de inspeção da via da Banverket, que solicitava a via estática e dinamicamente. Este sistema apresentava algumas limitações como o facto de não possibilitar a medição em curvas apertadas, com um raio inferior a 1200 m, e em aparelhos de mudança de via. Além disso a carga estática aplicada por este sistema era reduzida. Apesar destas limitações, este sistema permitiu obter bons

resultados que motivaram a construção de um novo sistema, com princípio de funcionamento semelhante, que resolvia todas as limitações identificadas.

Neste novo veículo, constituído por dois eixos, a excitação dinâmica da via é efetuada através de duas massas, com 4000 kg cada, instaladas sobre os eixos conforme se pode observar no esquema da Figura 2.4. Os transdutores de força instalados no eixo de medição permitem avaliar a força resultante, sendo o deslocamento obtido por dupla integração da aceleração vertical do eixo também medida (Berggren et al., 2005).

Figura 2.4 – Representação esquemática do sistema de medição do RSMV num eixo (Berggren, 2009)

O veículo possibilita o carregamento da via com uma carga estática de 180 kN e uma carga dinâmica com amplitude máxima de 60 kN e frequência máxima de excitação de 50 Hz. Podem ser efetuadas medições à velocidade máxima de 50 km/h considerando até três frequências de excitação sinusoidais em simultâneo, ou medições a velocidade mais reduzida, inferior a 10 km/h, com uma excitação que cobre toda a gama de frequências, de 0 a 50 Hz.

A Universidade de Nebraska nos Estados Unidos em conjunto com a empresa de administração ferroviária Americana, Federal Railroad Administration (FRA), desenvolveu um sistema de medição sem contacto, que permite a avaliação contínua do módulo da via (Norman, 2004). O sistema de medição, esquematizado na Figura 2.5 (a), é constituído por dois lasers e uma câmara fixos numa viga rigidamente ligada ao eixo da roda do veículo, o que permite assumir que a distância entre o sistema e o ponto de contacto roda-carril (H) é constante. O sistema efetua a medição da distância entre a câmara e a superfície do carril (h). Conhecendo estas duas distâncias, H e h, pode calcular-se o deslocamento da superfície do carril relativamente ao plano de contacto roda-carril (yr). Este deslocamento relaciona-se com o deslocamento absoluto do carril sob a secção da câmara (ycamera) e com o deslocamento absoluto do carril no ponto de contacto roda-carril (ywheel) que são obtidos com base no modelo de viga de Winkler.

A distância entre a câmara e a superfície do carril (h) é determinada geometricamente a partir da distância entre os feixes dos lasers (d), registada pela câmara conforme esquematizado na Figura 2.5 (b). Consoante a câmara está mais próximo ou mais afastado da superfície do carril a distância entre os feixes dos lasers varia.

(a) (b)

Figura 2.5 – Sistema de medição: (a) representação esquemática e (b) parâmetros geométricos consideradas na medição com os sensores laser (Norman, 2004)

Conjugando toda a informação é possível relacionar a distância d com o módulo da via para um determinado valor de H. O módulo obtido é um valor médio uma vez que se recorre à teoria de

Winkler que considera uniformidade do módulo da via para determinado carregamento. Este sistema foi testado para velocidades muito reduzidas, sem consideração de efeitos dinâmicos. Com o objetivo de efetuar prospeção contínua das condições estruturais da via a Universidade de Delft, em conjunto com a empresa dinamarquesa Greenwood Engineering, desenvolveu um sistema de medição sem contacto, designado por High Speed Deflectograph, cujo princípio de funcionamento se baseia em tecnologia laser e no princípio de Doppler. Com recurso a sensores de laser Doppler é medida a velocidade de deformação do carril como resultado de uma carga aplicada. Maior detalhe sobre a forma como o efeito Doppler é utilizado para a determinação da velocidade de deformação da superfície do carril pode ser encontrado em Esveld (2001).

Conforme esquematizado na Figura 2.6 os sensores de laser Doppler são instalados numa viga posicionada em frente ao eixo da roda de um veículo. Estes sensores examinam a superfície do carril registando a velocidade de deformação do carril quando carregado. Para a medição são necessários no mínimo dois sensores, um alinhado com a zona deformada (A1 e A2) e outro, de referência, alinhado com a zona onde não ocorre deformação (B). A colocação de mais sensores na zona deformada permite o conhecimento mais detalhado da deformada do carril.

Figura 2.6 – Representação esquemática do princípio de medição do High Speed Deflectometer (Esveld, 2001)

Variações na velocidade de deformação indiciam descontinuidades da via devido a alterações ao nível da fundação ou do apoio do carril ou das travessas. Este sistema permite efetuar medições a uma velocidade máxima de 130 km/h.

Ainda sobre a caracterização da substrutura da via, mas num contexto um pouco diferente, refere-se o georadar ou radar de penetração que é um sistema que permite efetuar a prospeção geotécnica da via de forma não destrutiva. As ondas emitidas propagam-se e são refletidas nas interfaces entre materiais com propriedades eletromagnéticas contrastantes, sendo depois captadas por um recetor e registadas sob a forma de imagem conforme esquematizado na Figura 2.7 (FRA, 2006). Este método de prospeção fornece informação sobre o estado da subestrutura da via, uma vez que permite a identificação de alterações significativas da profundidade e constituição de determinada camada que poderão estar relacionadas com problemas de desempenho da via (Sussmann et al., 2003).

Figura 2.7 – Resultado obtido na prospeção com georadar (FRA, 2006)

A informação obtida na prospeção com georadar pode ser usada como complemento aos métodos de medição de rigidez da via, conforme evidenciam os estudos efetuados por Smekal et al (2003) recorrendo ao veículo de medição contínua de rigidez da via da Banverket, o RSMV, e a um sistema de georadar. A combinação destes dois sistemas demonstrou ser uma ferramenta

de grande utilidade para a monitorização e avaliação das condições da subestrutura das linhas existentes. No entanto, os autores sublinham ser necessário efetuar mais estudos de forma a poder obter melhor correlação e articulação entre as medições.

Ainda neste contexto, Narayanan et al. (2004) propõem estimar indiretamente o módulo da via através da prospeção com georadar, recorrendo a correlações entre as propriedades dielétricas dos materiais, fornecidas pelo georadar, e as propriedades resistentes dos materiais que constituem as camadas de fundação.