PARÂMETROS DE PROJECTO DO TRAÇADO DE VIA

Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
Ciclo de Formação na Ferrovia
PARÂMETROS DE PROJECTO DO TRAÇADO DE VIA
Valores Limites Normativos
António Fidalgo do Couto
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Características da linha férrea
• Bitola
b = 1435 mm
Ciclo de Formação na Ferrovia
b´= b + c = 1500 mm
bitola
Topo do carril
plano de via
eixo de via
• Vias Múltiplas
entre-eixo: E ≥ 4,20m
ETI (Especificação Técnica de Interoperabilidade): E = 4,50m
2/23
Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Características da linha férrea
• Rampa máxima
Ciclo de Formação na Ferrovia
Apenas com tráfego de passageiros: 25/30 mm/m
ETI - 35 ‰ se:
iméd (10 km) < 25 ‰
L< 6 000 m
França (SNCF)
- 25-35‰ (Paris-Sudeste - 40‰)
Alemanha (DB)
- 12,5‰ (Colónia-Frankfurt -40‰)
Japão
- 15-20 ‰
• Raio mínimo
f (VMAX e Vmin, h, I, E)
3/23
Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Componentes do traçado em planta
• Alinhamentos Rectos
• Curvas Composta
Ciclo de Formação na Ferrovia
• Curva circular
• Curvas de transição
Comprimento Efectivo Limite (Norma ENV 13803-1)
Categorias de
tráfego
(velocidade em
Km/h)
Valor limite
recomendado
[m]
Valor limite
máximo
[m]
III
Linhas de tráfego
misto concebidas
para velocidades
de comboios de
passageiros
200 < V < 300
IV
Linhas de tráfego
misto com
velocidades de
comboios de
passageiros
V < 230 (ou 250)
(com veículos
dotados de
características
técnicas especiais)
V
Linhas de alta
velocidade
unicamente
dedicadas a
tráfego de
passageiros
250 < V < 300
V max
1,5
Vmax
2
4/23
Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Circulação em Curva
• Acelerações/Forças
Ciclo de Formação na Ferrovia
anc
plano horizontal
plano de
via
plano horizontal
plano de
via
Força Centrifuga:
- Exerce uma força contra o carril exterior
- Submete os passageiros e mercadorias a acelerações não desejadas.
- Cria um momento
Fc * yc
efeitos:
→ desnivelamento transversal e/ou ripagem da via
→ aumenta o desgaste dos carris exteriores
→ descarrilamentos e/ou capotagem
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Circulação em Curva
• Escala (h)
Ciclo de Formação na Ferrovia
b’
carril exterior
h
plano de via
carril interior
plano horizontal
¾ Limitar os esforços transversais e choques à entrada e saída das curvas,
que conjuntamente com os movimentos de lacete, podem produzir
descarrilamentos e capotagem
¾ Conseguir um desgaste similar em ambos os carris, limitando assim a
ripagem da via, o desnivelamento transversal da via e o excessivo
trabalho dos aparelhos de fixação
¾ Permitir uma maior comodidade para os passageiros e evitar possíveis
movimentos das mercadorias
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Circulação em Curva
• Escala teórica (ht): anc = 0 m/s2
• Escala prática (h):
Ciclo de Formação na Ferrovia
V2
b′V 2
⇒ ht = 11,8 ⋅
ht =
127 R
R
Categorias
de tráfego
(velocidade
em Km/h)
h ⇒ Vt =
III
IV
Linhas de tráfego Linhas de tráfego
misto concebidas
misto com
para velocidades
velocidades de
de comboios de
comboios de
passageiros
passageiros
200 < V < 300
V < 230 (ou 250)
(com veículos
dotados de
características
R.g.h
b′
V
Linhas de alta
velocidade
unicamente
dedicadas ao
tráfego de
passageiros
250 < V < 300
técnicas especiais)
Valor limite
recomendado
(mm)
Valor limite
máximo
(mm)
160
160
160
180
180
200
ETI
- 180 – 190 mm, 200 mm (cat.V)
França (SNCF)
- 160 mm (Excep.=180 mm)
Alemanha (DB)
- 100 (rec.) – 180 mm
Japão
- 180 – 200 mm
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Circulação em Curva
Ciclo de Formação na Ferrovia
• Insuficiência de Escala (I = ht - h):
V 2 − (Vt ) 2
b'
anc =
⇒
I
=
⋅ anc
2
(3,6) .R
g
(ancPass.=1,0 – 1.5 m/s2)
V > Vt =
127 R.h
b′
Norma ENV 13803-1
Categorias de tráfego
Valor limite recomendado
[mm]
Mercadorias
Passageiros
(velocidade em km/h)
Valor limite máximo ª
[mm]
Mercadorias
Passageiros
III - Linhas de tráfego misto
concebidas para velocidades de
d
150
c
130
160
d
180
140
x
160
x
120
x
160
230 < V < 250
x
100
x
150
V = 250
x
100
x
150
200 < V < 250
100
100
150
250 < V < 300
80
80
130
V < 160
110
160
160 < V < 200
x
200 < V < 230
comboios de passageiros
200 < V < 300
c
IV - Linhas de tráfego misto
com velocidades de comboios
b
b
de passageiros
V < 230 km/h
(ou 250 km/h em linhas
modernizadas)
com veículos dotados de
características técnicas
especiais
V - Linhas de alta velocidade
unicamente dedicadas a tráfego
de passageiros
c
130
V > 250
x
80
x
250 < V < 300
Estes limites da insuficiência de escala devem ser aplicados apenas aos tipos de veículos especificos dotados de características
mecânicas especiais tais como pequena massa por eixo, massas não suspensas reduzidas, baixo coeficiente de souplesse.
c
Em vias não balastradas, para velocidades superiores a 250 km/h, pode ser utilizada uma insuficiência de escala de 150mm.
d
Estes valores só são aplicáveis a vagões de mercadorias que apresentam características mecânicas especiais, que lhes conferem
desempenhos semelhantes aos dos veículos de passageiros.
b
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Circulação em Curva
• Insuficiência de Escala (cont.):
Ciclo de Formação na Ferrovia
ETI
França (SNCF)
- 100 - 150 mm (Excep.=160 mm)
Alemanha (DB)
- 70mm (rec.); 130mm (lim.) – 150 mm (n. perm.)
Japão
- 100 mm
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Circulação em Curva
• Excesso de Escala (E=h-ht):
Ciclo de Formação na Ferrovia
V < Vt =
127.R.h.
b′
g .h
V2
b'
E
anc =
−
⇒
=
⋅ anc
2
g
b' (3,6) .R
Norma ENV 13803-1:
Limite recomendado: 110 mm;
Limite máximo*: 130 mm.
*Para comboios de passageiros, o valor limite máximo de E = 110 mm.
França (SNCF)
- 70 - 100 mm (Excep.=105-135 mm)
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Circulação em Curva
Ciclo de Formação na Ferrovia
• Velocidades máximas e mínimas admissíveis
• Raios mínimos
V2
−h
I = ht − h = b ′
127 R
⇒
V2
E = h − ht = h − b ′
127 R
⇒
(I Lim + h).127.R
b′
(h − Elim ).127.R
Vmin =
b′
Vmax =
2
2
b´.Vmáx
b′.Vmin
≥R≥
127(h − ELim )
127(h + I Lim )
Usando I e E (ETI) rec. :
I
E
h
França (valores praticados) - 4000- 6250 m
Alemanha (DB) :
- Rrec(h=100mm; Irec=70 mm)
- Rlim (h+Ilim=290mm)
- Rperm(h+ I =330mm )
Japão (valores praticados)- 2500 – 4000 m
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Curvas de Transição
Ciclo de Formação na Ferrovia
• curva de raio variável ao longo da qual a escala crescerá de forma contínua até
atingir o valor correspondente ao valor a implementar na curva circular, h.
• a implementação da escala é
geralmente feita por elevação da
fila alta, com manutenção da
espessura de balastro sobre os
carris da fila baixa.
h
L
b´
• a força centrífuga cresce progressivamente sendo compensada pela contínua
variação da escala.
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Curvas de Transição
Ciclo de Formação na Ferrovia
• Dimensionamento:
dh
Limitação dinâmica: Variação da escala em função do tempo
dt
→ limitar o valor desta velocidade ascensional
Limitação geométrica: Variação da escala em função do comprimento dh/dl
→ limitar: dh/dl → Empenamento → descarrilamento
Limitação de conforto (limites na sobreaceleração normal): Variação da
insuficiência de escala em função do tempo dI/dt
Limites do conforto: San = danc/dt = 0,25 e 0,4 m/s3.
Altas velocidades: San = 0,15 m/s3
S anP = (1 + s)
danc
dt
valor máximo aceitável 0,3 m/s3 - 0,8 m/s3
O desenvolvimento L da curva de transição deverá cumprir os três critérios,
prevalecendo os relativos à segurança em relação com o de conforto
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Curvas de Transição
• Limitação dinâmica
Ciclo de Formação na Ferrovia
dh dh dl
dh
V
=
. = v.
= Δh.
dt dl dt
dl
3,6.L
V
⎛ dh ⎞
Δh.
≤⎜ ⎟
3,6.L ⎝ dt ⎠ lim
⎛ dh ⎞
⎟
⎝ dt ⎠lim
⇒
L≥
Δh.V
⎛ dh ⎞
3,6.⎜ ⎟
⎝ dt ⎠ LIM
Norma ENV 13803-1 ⎜
Categorias de
tráfego
(velocidade em
Km/h)
Valor limite
recomendado
(mm/s)
Valor limite
máximo
(mm/s)
III
Linhas de tráfego
misto concebidas
para velocidades
de comboios de
passageiros
200 < V < 300
IV
Linhas de tráfego
misto com
velocidades de
comboios de
passageiros
V < 230 (ou 250)
V
Linhas de alta
velocidade
unicamente
dedicadas a
tráfego de
passageiros
250 < V < 300
50
50
50
60
60
60
Alemanha (DB):
L≥
8
.Δh.Vmax
1000
Para variações de escala com declive
variável o valor dh/dt é variável, atingindo
a meio da curva o seu valor máximo
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Curvas de Transição
Ciclo de Formação na Ferrovia
• Limitação geométrica
Δh
L≥
⎛ dh ⎞
⎜ ⎟
⎝ dl ⎠ lim
A norma ENV 13803-1
⎛ dh ⎞
⎜ ⎟
⎝ dl ⎠ LIM
-valor limite recomendado: 2,25 mm/m
-valor limite máximo: 2,5 mm/m
• Limitação de conforto
danc
≤ (S an )lim
dt
⇒
dI b' danc ⎛ dI ⎞
= .
≤⎜ ⎟
dt g dt
⎝ dt ⎠ Lim
⎛ dI ⎞
⎟
⎝ dt ⎠ LIM
Norma ENV 13803-1 ⎜
Categorias de
tráfego
(velocidade em
Km/h)
Valor limite
recomendado
(mm/s)
Valor limite
máximo
(mm/s)
III
Linhas de tráfego
misto concebidas
para velocidades
de comboios de
passageiros
200 < V < 300
IV
Linhas de tráfego
misto com
velocidades de
comboios de
passageiros
V < 230 (ou 250)
V
Linhas de alta
velocidade
unicamente
dedicadas a
tráfego de
passageiros
250 < V < 300
50
50
50
75
90
75
⇒
ΔI .Vmax .
L≥
⎛ dI ⎞
3,6.⎜ ⎟
⎝ dt ⎠ Lim.
Alemanha (DB):
L≥
4
ΔI .Vmax
1000
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Curvas de Transição
• variação de curvatura e de escala linear: Clotóide (r.l = const. = A2)
Para a escala teórica:
Ciclo de Formação na Ferrovia
• v2/r = g.ht(l)/b’
Para o ponto de tangencia
curva de transição/curva
circular teremos : L=A2/R
Para a escala prática:
• anc = v2/r - g.h(l)/b’
Velocidade constante (v)
⇒
danc ⎛ v 2 g.h ⎞ v
⎟⎟.
S an =
= ⎜⎜ −
dt
⎝ R b' ⎠ L
A resposta dinâmica às variações dos gradientes de escala e curvatura
depende fundamentalmente:
•
•
da concepção da suspensão do veículo
do tipo e desenvolvimento dos elementos de transição
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Curvas de Transição
• variação de curvatura e de escala não-linear
Ciclo de Formação na Ferrovia
SCHRAMM 1 / r = 2.⎛ l ⎞
⎜ ⎟
1/ R
⎝L⎠
BLOSS
2
2
1/ r
l⎞
⎛
se 0 ≤ l/L≤1/2;
= 1 − 2.⎜1 −se ⎟1/2 ≤ l/L≤1
1/ R
L⎠
⎝
1/ r ⎛
l ⎞⎛ l ⎞
= ⎜ 3 − 2 ⎟.⎜ ⎟
1/ R ⎝
L⎠⎝ L⎠
2
COS (curva de transição japonesa) 1 / r
1/ R
SEN
=
1⎛
π .l ⎞
⎜1 − cos
⎟
L ⎠
2⎝
1/ r
l
1
⎛ 2.π .l ⎞
= −
sen⎜
⎟
1 / R L 2.π
⎝ L ⎠
Limites de dh/dt:
Categorias de
tráfego
(velocidade
em Km/h)
Valor limite
recomendado
(mm/s)
Valor limite
máximo
(mm/s)
III
Linhas de tráfego
misto concebidas
para velocidades
de comboios de
passageiros
200 < V < 300
IV
Linhas de tráfego
misto com
velocidades de
comboios de
passageiros
V < 230 (ou 250)
V
Linhas de alta
velocidade
unicamente
dedicadas a
tráfego de
passageiros
250 < V < 300
55
55
55
70
70
70
17/23
Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
Ciclo de Formação na Ferrovia
‰ Curvas de Transição
18/23
Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Curvas de Transição
Ciclo de Formação na Ferrovia
• Movimento (oscilatório) de balanço
Quando o veículo circula ao longo de uma curva de transição fica
sujeito a uma velocidade angular (ω) criada pela introdução da
sobreelevação (ângulo de sobreelevação ψ = h/b’) :
dψ
dh
dh
ω=
=
=
.v
dt
b' dt b' dl
Aceleração angular do movimento de balanço (α)
1 d 2h d 2h v2
α=
= 2 . ≤ α0
2
b' dt
dl b'
⇒
d 2 h α 0 .b'
≤ 2
2
dl
v
limite a adoptar para α0 = 0,1 rad/s2.
Sobreaceleração angular do movimento de balanço (α& )
dα 1 d 3 h d 3 h v 3
=
= 3 . ≤ α& 0
3
dt b' dt
dl b'
⇒
d 3 h α& 0 .b'
≤ 3
3
dl
v
Limite a adoptar para α& 0 ≈ 0,2rad / s 3
Para a aceleração lateral não compensada (anc) e a sobreaceleração (San)
correspondente, dever-se-á também ter em conta a aceleração induzida pelo
movimento de balanço.
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Perfil Longitudinal
Sempre que ∆i superior a:
Ciclo de Formação na Ferrovia
- 2 mm/m, V < 230 Km/h
- 1 mm/m. V > 230 Km/h
⇒
Concordâncias Verticais (D> 20 m)
• Concordâncias (circunferência/parábola)
D = Rv
(a − b )
1000
⎡ (a − b ) ⎤ 2
z ( x) = − ⎢
⎥x
2000
D
⎣
⎦
D
20/23
Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Perfil Longitudinal
Ciclo de Formação na Ferrovia
• Aceleração Vertical (av)
v2
V2
V2
av =
=
=
g
2
Rv 3,6 .Rv 127 Rv
V2
≤ (a v )LIM
Níveis aceitáveis de comodidade → a v =
12,96 Rv
Norma ENV
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Perfil Longitudinal
• Raios mínimos das concordâncias verticais
Ciclo de Formação na Ferrovia
V2 g
Rv =
. ≤ (Rv )LIM
127 a v
Tendo presentes os valores limite de av a norma fixa para RV lim:
ETI: 10000 a 25000 m
França (TGV Paris-Sudeste): 12000- 14000 m
Alemanha (DB) : RV rec = 0.4.V max2 RV lim = 0.25.V max2
RVperm (conv.) = 0.16.V max2
RVperm (conc.) = 0.13.V max2
Japão (valores praticados): 10000– 15000 m
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Traçado de Infra-Estrutura Ferroviária de Alta Velocidade
‰ Perfil Longitudinal
• Sobreaceleração vertical
Ciclo de Formação na Ferrovia
dav d(1/rv ) 2 d(1/rv ) 3
Sav =
=
v =
v ≤ Sav0
dt
ds
dt
A menos dos sinais temos:
drv
rv2 Sav0
≤ 46,656
ds
V3
Esta condição permite
controlar as descontinuidades
na curvatura vertical
Valor limite a adoptar: Sa0v ≈ 0,5 m/s3
NOTA: adicionalmente dever-se-ia analisar o efeito da variação
escala (movimento de balanço) no perfil longitudinal
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