Influence of vertical stiffness on elastic behavior and desing of railroad tracks.

A via permanente representa um elemento imprescindível na composição do transporte ferroviário e seu desempenho deve ser adequado, de forma a garantir tanto segurança quanto conforto. Assim, diversos aspectos devem ser analisados ainda na fase de projeto, através de dimensionamentos que confrontem diferentes parâmetros da resposta da via e os limites estabelecidos. Dessa forma, o conhecimento do comportamento mecânico da via, devido aos esforços impostos pela passagem do material rodante, passa a ser essencial no projeto de uma estrutura que garanta os requisitos necessários, sem ser inviável economicamente. Visto que esse comportamento mecânico é muito sensível à rigidez vertical da estrutura, o presente trabalho apresenta análises da influência desse parâmetro na resposta da via e, consequentemente, no seu dimensionamento. Nesse contexto, o trabalho abrange tanto o caso de vias em lastro solicitadas por trens de carga, quanto o caso de vias em laje solicitadas por trens de passageiros em meios urbanos. No primeiro caso são realizados estudos paramétricos, por meio de modelos clássicos e um modelo mecanicista, para a análise de momentos fletores e deflexões nos trilhos, bem como tensões verticais nas camadas de lastro, sub-lastro e subleito. Já no segundo caso, são realizados estudos paramétricos relativos à transmissibilidade e à atenuação de vibrações causadoras de ruído secundário. Também é feita uma análise da influência da rigidez vertical na amplificação dinâmica das cargas estáticas, que pode ser aplicada a ambos os casos citados e até extrapolada para casos de vias de alta velocidade. Os resultados mostraram que aumentos de rigidez vertical resultam em ganhos do ponto de vista de momentos fletores e deflexões nos trilhos, além de maior resistência e capacidade de dissipação de tensões verticais nas camadas de lastro, sub-lastro e subleito. Por outro lado, esses aumentos também levaram a maiores tensões nas camadas subjacentes à grade citadas, além de atenuações de vibrações em menores intervalos de frequência e maiores amplificações dinâmicas das cargas estáticas em vias de alta velocidade. Assim, é mostrado que a influência da rigidez vertical, tanto da via como um todo quanto de alguns elementos específicos, não deve ser analisada de forma genérica, pois, dependendo do parâmetro da resposta da via considerado no dimensionamento, seu aumento pode representar uma influência positiva ou negativa.The railway track is an essential element in the composition of rail transport and its performance should be adequate to ensure both safety and comfort. Therefore, several aspects should be analyzed still in the project phase, through project designs that compare the response of the track from the point of view of different parameters and some stablished limits. Thus, the knowledge of the mechanical behavior of the track due to stresses imposed by the passage of rolling stock becomes essential to the design of a structure which ensures the necessary requirements, without being uneconomic. Since this mechanical behavior is very sensitive to vertical stiffness of the structure, this thesis presents some analyses about the influence of this parameter in the track response and, consequently, in its design. In this context, the research covers both the case of ballasted tracks with freight trains and the case of slab tracks with passenger trains in urban areas. In the first case, parametric studies are performed by means of classical and mechanistic models with analyses of bending moments and deflections in rails, as well as the vertical stresses on ballast, sub-ballast and subgrade layers. In the second, it was analyzed in the parametric studies the transmission and attenuation of vibrations causing ground borne vibration. In addition to these, there is also an analysis of the influence of the vertical stiffness in dynamic amplification of the static loads, which can be applied to both the mentioned cases and even extrapolated to cases of high-speed railways. The results showed that stiffness increases result in positive gains from the point of view of bending moments and deflections in rails, as well as higher strength and dissipation of vertical stresses on ballast, sub-ballast and subgrade layers. On the other hand, this increase of stiffness also lead to higher pressures on the layers cited, in addition to attenuation of vibrations in lower frequency ranges and higher dynamic amplifications of static loads in the case of high-speed operation. Thus, the influence of vertical stiffness should not be analyzed in a generic way, because, depending on the parameter of the track response considered, it can represent a positive or negative influence