A via balastrada é uma estrutura de suporte relativamente simples, cujo bom desempenho resulta do funcionamento articulado de diferentes componentes (Dahlberg, 2006; Esveld, 2001; Selig and Waters, 1994).
A parte superior dos carris encontra-se diretamente em contacto com as rodas do comboio, direcionando a sua trajetória e recebendo as cargas verticais e as forças transversais transmitidas pelos eixos e ainda as forças longitudinais de arranque e frenagem. O funcionamento dos carris assemelha-se ao de uma viga, com elevada rigidez à flexão, que apoia discretamente nas travessas. A ligação entre o carril e as travessas é efetuada através dos sistemas de fixação que,
oferecendo resistência aos movimentos do carril, asseguram uma adequada distribuição das cargas pelas travessas.
A distância entre carris é designada por bitola e pode apresentar diferentes valores consoante o tipo de via férrea sendo, por exemplo, nas linhas de alta velocidade na Europa é igual a 1,435 m. De referir ainda que o carril UIC60 é o carril mais frequentemente adotado em linhas de alta velocidade.
As travessas, além de promoverem o apoio do carril, ajudam a manter a bitola e o alinhamento da via. A distribuição das cargas para a camada de balastro é assegurada por estes elementos. Com um comprimento que varia entre 2,3 m e 2,6 m nas linhas de alta velocidade Europeias, as travessas encontram-se espaçadas de cerca de 0,60 m. Atualmente, as travessas pré-esforçadas de betão substituem as tradicionais travessas de madeira, pois apresentam melhor estrutura para a fixação do carril, maior resistência e durabilidade e, sendo mais pesadas, promovem a estabilidade da via.
Entre as travessas de betão e o carril é usual incorporar palmilhas, elementos resilientes que protegem as travessas dos impactos das cargas, contribuindo também para o amortecimento das vibrações provenientes do contacto roda-carril. Apresenta-se no Quadro 3.1 a rigidez das palmilhas adotadas em diferentes linhas ferroviárias europeias, em linhas de alta velocidade e em linhas convencionais constituídas por travessas de betão. Conforme se pode verificar a rigidez das palmilhas adotadas em diferentes linhas varia entre 27 e 500 kN/mm.
Quadro 3.1 – Rigidez vertical das palmilhas em linhas férreas na Europa (adaptado de (Teixeira, 2004))
País Linha Rigidez vertical (kN/mm)
França Linha convencional Linha de Alta velocidade
150 90 Alemanha Linha convencional
Linha de Alta velocidade: - Hanover-Würzburg - Mannheim-Stuttgart - Hanover-Berlin - Contorno de Stendal (linha Hanover-Berlin) 500 500 500 60 27 Espanha Linha de Alta Velocidade:
- Madrid – Sevilha - Madrid – Barcelona
500 100
Itália Linha de Alta Velocidade 100
Bélgica Linha de Alta Velocidade e Linha convencional
A rigidez destes elementos tem grande influência na rigidez global da via. As palmilhas mais flexíveis proporcionam a distribuição das cargas do comboio por maior número de travessas, pelo contrário, as palmilhas mais rígidas contribuem para uma transmissão mais direta das cargas nas travessas.
As travessas assentam diretamente na camada de balastro, que as envolve. Esta camada resiste aos movimentos verticais, transversais e longitudinais das travessas, contribuindo para preservar o nivelamento e o alinhamento da via. Tendo como principal função a degradação das tensões transmitidas pelas travessas, a camada de balastro desempenha um importante papel na drenagem da via, apresentando ainda características resilientes, importantes para o amortecimento das vibrações.
Com uma altura que varia em geral entre 0,30 m e 0,50 m, a camada de balastro é constituída por rocha britada, partículas angulosas cuja dimensão deverá estar compreendida entre 20 mm e 63 mm. As propriedades mecânicas do balastro resultam da combinação das propriedades físicas do material que o constitui e do peso volúmico ‘in-situ’ do material, que depende da compacidade da camada, que resulta quer dos processos de compactação mecânica decorrentes das operações de instalação e de manutenção da via, quer da compactação resultante da passagem do tráfego ferroviário.
A determinação das propriedades mecânicas da camada de balastro é algo complexa, pelo que é possível encontrar na bibliografia diversas propostas de leis constitutivas que procuram representar de forma mais rigorosa possível o comportamento deste material. Na ausência de informação sobre as propriedades do material da camada de balastro a recomendação UIC-719R (UIC, 2008) sugere a adoção dos valores que se apresentam no Quadro 3.2, relativos ao módulo de deformabilidade (E), ao coeficiente de Poisson (ν), à coesão (c), ao ângulo de atrito (φ) e ao peso volúmico (γ) do material.
Quadro 3.2 – Propriedades da camada de balastro (adaptado de UIC (2008))
E (MPa) ν c (MPa) φ (º) γ (kN/m3)
130 0,20 0 45 15
Entre a camada de balastro e a fundação da via encontra-se a camada de sub-balastro. A função estrutural desta camada é idêntica à desempenhada pela camada de balastro, ou seja, promover a degradação das tensões provenientes do carregamento da via. Na Figura 3.2 apresenta-se, de forma esquemática, a diferença na distribuição de tensões verticais ao nível da fundação numa via com e sem camada de sub-balastro.
(a) (b)
Figura 3.2 – Representação esquemática da distribuição de tensões verticais ao nível da fundação (a) numa via sem sub-balastro e (b) numa via com sub-balastro (Teixeira, 2004)
A camada de sub-balastro impede a migração de finos da fundação para a camada de balastro, para tal, o material da camada de sub-balastro deverá ser bem graduado, com características granulométricas intermédias entre o material de maiores dimensões, o balastro, e o material da fundação. Materiais como grave ou areia grossa são em geral indicados. À semelhança do que acontece para a camada de balastro, na ausência de informação relativa à camada de sub- balastro, a UIC-719R (2008) sugere a adoção das propriedades apresentadas no Quadro 3.3.
Quadro 3.3 – Propriedades da camada de sub-balastro (adaptado de UIC (2008))
E (MPa) ν c (MPa) φ (º) γ (kN/m3)
120 0,30 0 35 19
São requisitos básicos da plataforma da via proporcionar apoio adequado à camada de sub- balastro, contribuindo para a degradação das tensões transmitidas por esta camada. A rigidez da fundação e a suscetibilidade ao desenvolvimento de assentamentos influenciam determinantemente o comportamento global da via.
No documento UIC-719R (UIC, 2008) apresenta-se uma classificação dos solos de fundação da via estabelecida com base na avaliação das propriedades geotécnicas e nas condições hidrogeológicas e hidrológicas do local. De acordo com a avaliação de parâmetros como a presença de material orgânico, a percentagem de finos ou a suscetibilidade ao desgaste e erosão, são estabelecidas quatro classes de qualidade de solos que ditam a sua adequabilidade para aplicação na fundação da via. Os solos de qualidade QS0 não são adequados para a constituição da fundação, sendo a sua utilização apenas possível caso se proceda a operações como a substituição destes solos por outros de melhor qualidade até determinada profundidade, a estabilização com ligantes, a incorporação de geotêxteis, o reforço com estacas, entre outros. Solos de classe QS1 são designados como solos pobres que são aceites na construção da fundação desde que, quando mantidos nas suas condições naturais, sejam submetidos a
drenagem e a manutenção adequadas. Estes solos podem ainda ser utilizados no reforço da via quando devidamente tratados. Os solos de qualidade QS2 são considerados como medianos e os QS3 como solos bons. A determinação da qualidade do solo constitui um indicador da capacidade de carga da fundação permitindo identificar as soluções construtivas mais indicadas.