A passagem continuada de tráfego ferroviário é apontada como uma das causas para o aparecimento de assentamentos na via. Em zonas de transição, conforme apresentado na secção 2.2.2, as variações de rigidez induzem incrementos nas forças dinâmicas de interação via- comboio que se traduzem na sobrecarga localizada da via.
Com o intuito de estudar estes efeitos, alguns esforços têm sido realizados no sentido de obter uma estimativa, ainda que muitas vezes qualitativa, do nível de assentamento que se espera numa zona de transição de rigidez da via. Os estudos de previsão do assentamento permanente são efetuados com base em leis de deformação deduzidas em ensaios laboratoriais em equipamentos triaxiais cíclicos, em modelos à escala reduzida ou obtidos com base em medições na via férrea.
Neste contexto, Bruni et al. (2002) estudaram a evolução do assentamento permanente da via numa zona de transição ponte-viaduto, com o número de passagens dos veículos. Conforme evidenciado na Figura 2.14 o assentamento evolui com o número de ciclos de carga, verificando-se na zona de transição viaduto-ponte (ponto de abcissa igual a zero) um incremento mais significativo do assentamento. Identifica-se ainda uma tendência para a redução do incremento do assentamento com o aumento do número de ciclos.
Relativamente às forças de interação roda-carril, conforme se pode observar na Figura 2.14 (b), a passagem do primeiro eixo do comboio provoca uma variação da força de cerca de 3% relativamente à força estática, enquanto que, após a passagem de 345600 eixos (que corresponde a cerca de um ano de operação da via, segundo os autores) esta variação é já de cerca de 7%. Verifica-se que a variação da força neste caso se traduz principalmente numa redução.
(a) (b)
Figura 2.14 – Efeitos da deformação permanente da via numa zona de transição: (a) evolução dos assentamentos permanentes e (b) evolução da variação da carga vertical dinâmica (Bruni et al., 2002)
Como o carregamento da via não é uniforme ocorrem assentamentos diferenciais que implicam a alteração da geometria da via. Surgem assim irregularidades que induzem excitação do veículo e consequente variação da carga dinâmica que, podendo ser ainda maior do que a induzida pela variação de rigidez (Esveld, 2001), promove o agravamento dos assentamentos. Quando a via apresenta condições de suporte homogéneas, não havendo variações significativas das forças dinâmicas, a previsão dos assentamentos por intermédio de uma análise estática ou quase estática é aceitável (Fröhling, 1997). No entanto, se surgirem variações significativas de geometria ou rigidez da via a componente dinâmica deverá ser sempre considerada.
Mauer (1995) estudou os efeitos da evolução do assentamento permanente da via numa transição, onde o veículo passa de forma brusca de uma zona com rigidez elevada (khi) para uma zona com rigidez duas vezes inferior (klo), conforme esquematizado na Figura 2.15. Neste estudo apenas se considerou a deformação permanente da camada de balastro sendo a lei de deformação adotada função da carga sob as travessas. O autor verificou que a carga sob as travessas na zona rígida é maior do que na zona flexível, o que implica que os assentamentos permanentes sejam maiores na zona rígida.
Figura 2.15 - Evolução do assentamento da via na zona de transição (Mauer, 1995)
Verifica-se que na zona flexível ocorre melhor distribuição do carregamento pelas travessas do que na zona rígida, onde a maior concentração das forças sob cada travessa origina maior degradação da via. O autor conclui o estudo dizendo que estes são resultados teóricos uma vez que se considerou que a zona rígida e a zona flexível apresentavam taxas de assentamento iguais.
Neste contexto, Hunt (1997) efetuou um estudo semelhante sobre a evolução do assentamento da via numa zona de transição de rigidez vertical, mas considerando uma relação de rigidez de três vezes, sendo que neste caso a transição entre as duas partes não é efetuada de forma brusca mas variável numa extensão de 2 m.
O autor considera que a taxa de assentamento da via na zona flexível é mais elevada do que a da zona rígida, desta forma obtém um assentamento da via mais elevado na zona mais flexível, que diz ser o mais lógico numa zona de transição deste género. Refere ainda que é necessário efetuar medições na via por forma a aproximar as taxas de assentamento consideradas de valores mais reais.
Ao obter forças de interação travessa-balastro de tração na via não carregada, e uma vez que isso não é fisicamente possível, Hunt (1997) conclui que o processo de assentamento conduz ao aparecimento de vazios sob as travessas. No entanto, os modelos usados pelo autor não permitem a correta simulação desse fenómeno uma vez que não é admitida a possibilidade de descolamento entre a base da travessa e o topo da camada de balastro.
Tendo por base as leis de evolução do assentamento permanente de uma via balastrada apresentadas por Guérin et al. (1999), Bodin (2001) estuda também a evolução do assentamento da via numa zona de transição brusca de rigidez semelhante à apresentada por Mauer (1995), mas considerando também um defeito inicial na zona de transição.
Os resultados apresentados na Figura 2.16 permitem verificar que as conclusões obtidas neste estudo de investigação contrariam as apresentadas por Mauer (1995). Os autores argumentam
que esta evolução do assentamento permanente é mais próxima daquela que se regista em zonas de transição da via férrea.
Figura 2.16 - Evolução do assentamento numa zona da via com variação brusca de rigidez e com um defeito geométrico inicial (Bodin, 2001)
Sabendo que, na presença de uma variação de rigidez vertical da via, ocorrem efetivamente assentamentos elevados, estudos como os apresentados por Mauer (1995), Hunt (1997) ou Bodin (2001) pretendem compreender a sua evolução. No entanto, a análise dos resultados obtidos pelos diferentes autores permite concluir que este fenómeno está longe de ser convenientemente compreendido.
Algumas ressalvas são necessárias relativamente aos estudos de simulação do assentamento permanente induzido pela passagem do tráfego ferroviário acima apresentados: i) Os modelos pretendem simular a evolução do assentamento da via na presença de uma variação de rigidez (que é em geral proporcionada pela variação das propriedades elásticas dos solos de fundação), contudo, foi apenas considerada degradação da via ao nível da camada de balastro; ii) nos diferentes estudos a previsão da evolução dos assentamentos foi efetuada com base em diferentes leis de degradação dos materiais; iii) a avaliação da resposta da via foi também analisada com base em diferentes modelos de via e veículo.
Pormenores relativos à modelação do sistema veículo-via, do assentamento permanente da via devido ao carregamento cíclico induzido pelo tráfego ferroviário e às diferentes leis de degradação existentes são detalhadamente explorados no Capítulo 3.