XXIX Congresso Nacional de Pesquisa em Transporte da Anpet
OURO PRETO, 9 a 13 de novembro de 2015
FALHA DE UM DORMENTE DE CONCRETO POR DETERIORAÇÃO DA REGIÃO
DE APOIO DOS TRILHOS - CAUSAS E CONSEQUÊNCIAS
Romerson Serejo Silva
Andrielli Morais De Oliveira
Universidade Federal do Pará
Faculdade de Engenharia Civil – Campus Tucuruí
RESUMO
O dormente é elemento fundamental da via permanente na via ferroviária. Tradicionalmente o material utilizado
na fabricação desses dormentes é a madeira, contudo com a escassez deste material e por questões ambientais, a
indústria ferroviária busca um material alternativo. O concreto tem sido um material alternativo na fabricação de
dormentes, pois oferece boa resistência aos esforços dos trens e uma vida útil de 40 a 50 anos. Todavia existem
diversos mecanismos de falha em dormentes de concreto que podem levá-los a redução de sua vida útil ou mesmo
a necessidade de substituição, que é bastante onerosa. Este artigo de revisão da literatura tem como objetivo
apresentar as falhas e as consequências da deterioração na região do material no apoio dos trilhos (DRT) em
dormentes de concreto em vias ferroviárias.
ABSTRACT
The sleeper is a fundamental element of the railway basic track. Traditionally, the material used in the fabrication
of the sleepers is the wood. However, the shortage of this material is pushing the railroad industry to find an
alternative material. The concrete has been widely accepted as an alternative sleeper material, for the reason of its
properties of resistance and its life cycle of 40 to 50 years. Nevertheless, concrete sleepers has a variety of failure
mechanisms that could lead to reduce its life cycle or even a necessity of substitute them, which is very expensive.
This literature review paper have the objective of present the failures and the consequences of the Rail Seat
Deterioration (RSD) on railway track Concrete Sleepers.
1. INTRODUÇÃO
O dormente é um elemento fundamental da via permanente ferroviário e é responsável por
suportar as altas solicitações pontuais aplicadas sob os trilhos pelos trens, transferindo-as para
as camadas inferiores de lastro e sublastro. Tradicionalmente, o material usado na confecção
dos dormentes é a madeira, pois é um material com boas propriedades de resistência mecânica,
elasticidade e durabilidade. Apesar dessa tradição, a madeira é um material cada vez mais
escasso, o que naturalmente induz a indústria ferroviária a buscar materiais alternativos para a
confecção de dormentes.
De acordo com Riley e Strong (2003), o concreto tem sido cada vez mais aceito como material
para a fabricação de dormentes, principalmente nas ferrovias destinadas ao transporte de cargas
pesadas. O dormente de concreto tem como principais vantagens a sua resistência mecânica,
massa específica, boa manutenção de bitola, invunerabilidade à fungos, isolamento elétrico e
principalmente, uma longa vida útil. De acordo com a maioria dos autores, o dormente de
concreto tem uma estimativa de vida útil de 40 a 50 anos.
Porém, a vida útil de dormentes de concreto instalados em vias permanentes pode ser
consideravelmente reduzida quando este dormente está exposto a possíveis falhas pontuais,
relacionadas a fatores externos à estrutura do dormente, como fixações, mau suporte do lastro,
cargas dinâmicas e danos oriundos do processo de socaria (Zakeri e Rezvani, 2012).
Segundo respostas à uma pesquisa internacional realizada por Van Dyk et al. (2012), a
deterioração do concreto na região de apoio dos trilhos (DRT), geralmente resultante de um
processo de abrasão, é um dos problemas mais citados como falha em dormentes de concreto e
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suas fixações na América do Norte. Uma vez que se ocorra perda de concreto superficial na
região de apoio, uma angulação não esperada do trilho pode se formar, resultando em
desestabilização do comprimento da bitola e, por sua vez, iniciar o processo de descarrilamento
do trem.
Desta forma, este artigo de revisão da literatura tem como objetivo apresentar os processos de
deterioração do material concreto na região de apoio dos trilhos em dormentes de concreto.
Também será apresentado os mecanismos de deterioração do concreto e sua influência na vida
útil desses dormentes.
1.1. Justificativa
O dormente de concreto está cada vez mais em uso nas construções de novas linhas ferroviárias
no Brasil, assim como na reforma de linhas antigas. Esses dormentes são projetados para
suportar grandes solicitações e manter uma longa vida útil. Porém, problemas localizados, como
a deterioração do material na região de apoio dos trilhos, podem levar estes dormentes à falha
prematura e até a descarrilamentos.
Dormentes de concreto são mais caros, pesados e difíceis de instalar em comparação a outros
materiais, o que torna a sua troca onerosa, tanto na aquisição do material, como na mão de obra
de instalação. Por fim, o estudo dessa patologia é importante, pois pode representar riscos de
acidentes, diminuição do ciclo de vida do material e perdas financeiras na substituição dos
dormentes defeituosos.
2. OS DORMENTES DE CONCRETO
2.1. Tipos
As ferrovias brasileiras utilizam predominantemente dois tipos de dormentes de concreto: o
monobloco protendido (representado na figura 1) e o bi-bloco. O primeiro é fabricado segundo
as normas da ABNT 11709 e, segundo a empresa estatal de infraestrutura ferroviária VALEC
(2012), deve ter as características de comprimento de 2,8 m (para bitola de 1,6 m) e resistência
característica à compressão de 45 MPa aos 28 dias.
Figura 1: Dormente monobloco de concreto protendido (Dorbrás - Companhia Brasileira de
Dormentes, 2012).
O dormente bi-bloco, representado na figura 2, consiste basicamente da ligação de dois blocos
de conreto armado interligados por um perfil metálico. Segundo a Dorbrás (2012), estes são
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fabricados com concreto de f ck  40MPa e seu comprimento varia de acordo com a bitola da
via.
Figura 2: Dormente bi-bloco de concreto armado (Dorbrás - Companhia Brasileira de
Dormentes, 2012).
2.2. Fixações
McQueen (2003) descreve que o conjunto de fixações de dormentes de concreto usualmente
consistem nos seguintes elementos: (Figura 3):
 Ombreira e Shoulder: peças de aço que são engastadas no dormente no momento da
concretagem. Estas tem três funções, a saber: a primeira é localizar exatamente o local de
disposição do trilho, a segunda é resistir à forças laterais transmitidas pelas rodas dos trens
e a terceira é prover encaixe para os grampos;
 Isoladores: peças dispostas entre o patim do trilho e a face das ombreiras. O isolamento
entre o trilho e as demais peças é necessário para o sistema de controle de tráfego ferroviário.
 Placa de apoio, palmilha ou almofada: são dispostos na zona de apoio dos trilhos, entre o
patim dos trilhos e o concreto do dormente. Tem como função diminuir o atrito entre o trilho
e o dormente;
 Grampos: são responsáveis por segurar os trilhos no seu devido lugar.
Figura 3: Típico conjunto de fixação elástica tipo Pandrol (Valec, 2011).
3. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS E ENSAIOS
Existem normatizações brasileiras e internacionais a respeito da erosão por abrasão do concreto
relacionando a perda de massa ou a perda em volume erodida de concreto com o tempo de
ensaio. Contudo, esses ensaios provavelmente não conseguem magnificar a natureza de cargas
dinâmicas aplicadas em trilhos. Como exemplo ao que ocorre em vertedouros de usinas
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hidrelétricas, onde o desgaste abrasivo também pode ser um problema ao longo de sua vida útil,
além de um bom projeto e execução do vertedouro, normalmente, os concretos possuem
agregados resistentes e de maiores dimensões, compatíveis com a matriz cimentícia e com a
resistência característica de projeto.
4. DETERIORAÇÃO DA REGIÃO DE APOIO DOS TRILHOS (DRT)
Um defeito comum nos dormentes de concreto modernos, especialmente no monobloco
protendido, é a deterioração da região de apoio dos trilhos (Figura 4). Esta deterioração é
resultado de um processo de abrasão, que é um desgaste gradual da pasta de cimento do
concreto, o que expõe o agregado da superfície do dormente abaixo da placa de apoio (Lutch,
2009).
Figura 4: Exemplo de Deterioração da região de apoio dos trilhos (Zeman, 2010).
O desgaste é causado principalmente em função da natureza das cargas dinâmicas aplicadas sob
os trilhos. Nas zonas de apoio do trilho, a superfície de cimento do dormente é desgastada por
esforços repetitivos de flexão oriundos dos trilhos carregados, tendo auxílio também da
presença de água e agentes abrasivos no local. O agregado graúdo parcialmente exposto
deteriora a placa de apoio que consequentemente “afrouxa” a fixação do grampo (National
Transportation Safety Board – NTSB, 2006).
4.2. Principais causas da DRT
Segundo Lutch (2009), os seguintes fatores exercem grande influência no desenvolvimento da
DRT: a presença de água, as altas solicitações de trens com carga pesada, trechos de subida
com inclinações elevadas e especialmente curvas com o grau de curvatura maior que dois
dígitos. Em regiões de clima gelado, onde a via permanente está exposta a ciclos de
congelamentos e descongelamento, o processo de DRT geralmente é acelerado.
4.1.1. Presença de água
Uma das mais citadas causas da DRT é a presença de água na área de apoio dos trilhos. Zeman
(2010) estudou experimentalmente (Figura 5) três possíveis fenômenos hidráulicos a fim de
relacionar quais deles poderiam atuar no processo de degradação, os fenômenos foram:
fissurações por pressão hidráulica, erosão hidro abrasiva, e erosão por cavitação.
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Figura 5: Tanque d’água utilizado nos testes hidráulicos de Zeman (2010).
Depois de análises experimentais em laboratório, Zeman (2010) chegou as seguintes
conclusões:
Fissurações por pressão hidráulica: aparenta ser o possível mecanismo hidráulico da DRT.
Este mecanismo foi analisado a partir de uma estimativa da pressão exercida pela água na área
de apoio dos trilhos e qual seria o dano causado pela pressão no concreto.
Erosão hidro abrasiva: foi estudada a partir de uma velocidade teórica da água sob os trilhos
e os limites inferiores teóricos da velocidade das partículas do concreto em suspensão,
associados à erosão do concreto. O estudo apontou que é possível que o fenômeno contribua
na DRT. Todavia, é difícil prever o quanto este mecanismo contribui para a DRT, sem que haja
um estudo experimental com a função de medir a velocidade destas partículas em suspensão.
Erosão por cavitação: os experimentos de Zeman (2010) demonstram que esta mecanismo
pode ser impraticável ou altamente improvável, pois a teoria de colapso de bolhas estudada,
para o tamanho das bolhas e ação das mesmas, corroboram que a hipótese da erosão por
cavitação não causaria o dano da DRT ou mesmo influenciariam na mesma.
Por fim, a presença de água é apenas parte do processo da DRT. A existência de forças atuantes
e de outros materiais abrasivos são necessários para a atuação do mecanismo de desgaste.
4.1.2. Ciclos de congelamento e descongelamento
Muitos casos de DRT tendem a acontecer em regiões frias ou com flutuações de temperaturas,
que aliados a presença de água, geram ciclos de congelamento e descongelamento. Assim como
qualquer outro material de concreto, os dormentes são afetados por estes ciclos (Lutch, 2009).
Zeman (2010) explicou que a água causa DRT por meio de pressão hidráulica, porém, quando
esta água é congelada o seu volume aumenta, gerando e propagando fissuras.
Segundo Lutch (2009), o papel do congelamento na DRT ainda não foi cientificamente
determinado, no entanto, a experiência empírica mostra que estes ciclos afetam e amplificam o
problema.
4.1.3. Altas solicitações de trens com carga pesada
As ferrovias vem aumentando cada vez mais a quantidade de carga carregada por eixo. Estas
altas cargas concentradas são o principal mecanismo gerador de DRT, pois elas são o ponto
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inicial dos demais mecanismos de abrasão. Portanto, alguns estudos verificaram
experimentalmente a intensidade destas cargas, como os descritos brevemente abaixo:
Conforme Kernes et al. (2011) ensaios realizados nos laboratorios da University of Illinois at
Urbana-Champaign - UIUC demonstraram que as pressões aplicadas nas regiões de interação
de apoio apresentam valores próximos de 20 MPa, valores consideravelmente altos
considerando a área de aplicação destas pressões.
Outro estudo de investigação de um descarrilamento, realizado em 2006 pela e Volpe Center,
estimou valores de pressão médios aplicadas na região de apoio dos trilhos. Nesse estudo,
consideraram-se forças laterais e verticais calculadas por meio de um carro experimental. Como
resultado, os pesquisadores calcularam valores de pressão aplicados sob a área de apoio dos
trilhos entre 3 MPa e 113 MPa (Kernes et al., 2011).
4.1.4. Curvas com alto grau de curvatura
Curvas são os locais onde são observadas a maioria das ocorrências de DRT. Choros et al.
(2007) verificaram que curvas de alto grau curvatura apresentam um padrão de desgaste do
material de concreto em formato triangular, como ilustrado na figura 6.
Figura 6: Padrão triangular de abrasão num dormente de concreto. As linhas pretas estão
delineando um padrão de distribuição de pressão triangular, assumido na análise de Choros et
al. (2007)
Na análise de Choros et al. (2007) a geometria da curvatura acompanhada das altas pressões
aplicadas nos trilhos geram padrões de abrasão irregulares, geralmente na forma de uma
distribuição triangular.
4.1.5. Falha dos elementos de fixação
Há pesquisadores que defendem que a principal causa da DRT é oriunda de falha dos materiais
do conjunto de fixação. McQueen (2003) assume que os isoladores são os maiores responsáveis
pela DRT, pois em trechos de curvas particularmente há uma tendência do trilho de exercer
uma rotação em função da ação do friso das rodas do trem. Por consequência das altas forças
transmitidas do trilho para o isolador e pela rotação dos mesmos, a face vertical dos isoladores
se desgasta rapidamente.
5. CONSEQUÊNCIAS DA DRT
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5.1. Pesquisa Internacional
A fim de conhecer quais eram os principais defeitos nos dormentes de concreto e suas fixações,
Van Dyk et al. (2012) realizaram uma pesquisa internacional com profissionais da comunidade
ferroviária na Ásia, Austrália, Europa e América do Norte. Os resultados foram divididos em
dois grupos de respostas: os das respostas internacionais e os das Norte Americanas. A resposta
foi classificada de 1 a 8, onde 8 é o mais crítico. A tabela 1 traz um resumo da pesquisa nos
países da América do Norte.
Tabela 1: Os problemas mais críticos dos dormentes de concreto e fixações de acordo com as
respostas na América do Norte (Van Dyk et al., 2012)
Problemas mais críticos dos dormentes de
concreto e fixações
Deterioração do material da Região do apoio dos
Trilhos (DRT)
Desgaste ou fadiga do sistema Placa de
Apoio/Fixações
Fissuração por cargas dinâmicas
Dano causado por descarrilamento
Classificação
Média
6,43
6,38
4,83
4,57
Fissuras por momento fletor negativo no centro do
dormente
Danos no processo de Soca
4,14
Outros (ex. Defeitos de Fabricação)
3,57
Fissuração por degradação ambiental ou química
3,50
4,50
Dessa pesquisa, os autores encontraram que o problema mais preocupante para os entrevistados
Norte Americanos é o da deterioração do material da região de apoio dos trilhos (DRT) e o
último da lista de preocupações seria a fissuração por degradação ambiental ou química. Zeman
et al. (2009) explica que o DRT ocorre predominantemente na América do Norte,
provavelmente pela combinação única de altas cargas por eixo nos trens, alto tráfego nas vias e
condições ambientais necessárias.
A mesma pesquisa, respondida por profissionais de ferrovias internacionais, listou o DRT como
o último na escala de problemas mais críticos. Os danos no processo da soca são os que mais
preocupam os profissionais pesquisados no espectro internacional, Van Dyk et al. (2012)
assume que esta resposta poderia indicar que os danos poderiam estar relacionados a socaria
insuficiente ou não frequente.
5.2. Substituição de dormentes
A substituição de dormentes é bastante onerosa e requer equipamento mecânico adequado.
Além disso, na substituição de dormentes é necessário fechar a via férrea, o que gera ainda mais
prejuízos (Brina, 1983).
Os dormentes devem ser substituídos quando estes apresentam um dano considerável,
consequência de DRT ou de outros danos, pois a falha nestes elementos pode levar a
descarrilamentos, que além de gerar um grande prejuízo para a ferrovia, pode danificar
totalmente todos os dormentes da região (Brina, 1983).
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5.3. Aumento da bitola e descarrilamento
De acordo com Kernes et al. (2011), quando o material de concreto da região de apoio dos
trilhos é perdido, surgem problemas como o aumento de bitola e perda de superelevação do
trilho (a inclinação da região de apoio dos trilhos). As vias permanentes que apresentarem um
destes dois problemas podem levar o trem ao processo de descarrilamento. Assim como
ocorreu com um trem de passageiros da empresa americana de transporte de passageiros Amtrak
(Figura 8), que descarrilou próximo a uma curva na cidade de Home Valley, estado de
Washington (National Transportation Safety Board – NTSB, 2006).
Figura 8: Local do descarrilamento do trem de passageiros da empresa Amtrak (NTSB, 2006)
Em investigação, o órgão americano National Transportation Safety Board – NTSB (2006),
verificou após o acidente que haviam na região do descarrilamento, 19 dormentes de concreto
consecutivos apresentando falhas por DRT. A figura 9 apresenta a indicação das falhas nos
dormentes investigados.
Figura 9: Rolamento do trilho e DRT em um dos dormentes do local do descarrilamento
(NTSB, 2006)
Os trilhos do local do acidente desprenderam-se de suas fixações por consequência de DRT,
pois o grampo perdeu sua força de fixação, o que iniciou o processo de descarrilamento.
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6. POSSÍVEIS PROCEDIMENTOS DE MITIGAÇÃO
Na busca de mitigar os efeitos da abrasão da DRT, Shurpali et al. (2012) realizaram
experimentos de alterar os materiais utilizados no concreto destinado à fabricação de
dormentes. Os autores utilizaram os materiais listados na Tabela 2 e avaliaram seu efeito na
resistência de abrasão do concreto em relação ao exemplar de controle.
Tabela 2: Mudança na resistência à abrasão relativa em relação ao exemplar de controle
(Shurpali et al., 2012)
Mudança na
resistência de
Tipo de exemplar
abrasão (%)
0% de Ar incorporado
-3,4
3.5 % de Ar incorporado
*controle
6% de Ar incorporado
-22,0
Concreto auto adensável
-9,0
Agregado miúdo de aço
62,0
Concreto reforçado com
10,0
fibras
Película de poliuretano
85,0
Película de Epóxi
11,0
Shurpali et al. (2012) concluíram a partir de seus resultados que a adição de película de
poliuretano aumentou em cerca de 85% a resistência à abrasão do concreto em relação ao
concreto de controle. Por outro lado, a incorporação ou remoção de ar, assim como o concreto
auto adensável, reduziram a resistência à abrasão dos corpos de prova testados quando
comparado aos de controle.
6.1. Soluções da indústria
A revista Americana Railway Track & Structures – RT&S (2013) apontou algumas soluções
da indústria para o reparo de áreas danificadas pela DRT. Entre elas estão a aplicação de uma
camada de poliuretano sólido de cura rápida na área afetada do dormente. Este material foi
desenvolvido para manter a aderência ao concreto em uma variedade de condições e resistir à
abrasão local. A aplicação do produto pode ser feita em campo ou ainda na fábrica de
dormentes.
a)
b)
Figura 10: a) Aplicação de poliuretano sólido em campo (WVCO Railroad Division, 2015);
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b) Aplicação automatizada de poliuretano em fábrica, com cura em infravermelho (Encore
Rail Systems Inc, 2015).
Lutch (2009) apontou alguns métodos desenvolvidos pela fabricante de dormentes americana
L.B. Foster CXT, em colaboração com a ferrovia canadense Canadian National (CN). Estes
métodos buscavam proteger a área a ser afetada pela DRT de forma econômica e sem alterar a
forma geométrica dos dormentes. Dos vários métodos testados, concluiu-se que o método de
incluir uma chapa de aço na região de apoio dos trilhos durante a concretagem do dormente
teria os melhores resultados na mitigação da DRT (Figura 9).
Figura 11: Placa de aço antes de ser concretada no dormente (Lutch, 2009 apud Peters, 2003)
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A deterioração do material concreto na região de apoio dos trilhos tem sido um assunto cada
vez mais discutido no meio ferroviário. No Brasil, este assunto tem interesse, sobretudo porque
na ferrovia Norte-Sul empregou-se dormentes em concreto. Nem todas as causas e mecanismos
de falha da DRT foram devidamente esclarecidos e, portanto, há ainda algumas lacunas no
conhecimento. Isso pode ser preocupante a médio e longo prazo quando a maioria dos
dormentes aplicados em ferrovias no Brasil e no mundo sejam produzidos em concreto.
O problema de DRT ainda é pouco estudado e documentado no Brasil, onde o mesmo é apenas
citado em manuais técnicos de empresas ferroviárias, como no Manual Técnico da Via
Permanente da empresa Vale (Vale, 2009). Entretanto, com a demanda de maiores cargas nas
ferrovias brasileiras, a probabilidade de que o DRT ocorra é maior e isto pode motivar maiores
estudos sobre o tema.
Por fim, há crescente interesse de grandes ferrovias em entender plenamente a origem do
problema de DRT, desenvolver materiais resistentes e técnicas de mitigação da mesma.
Contudo, o DRT é um problema degenerativo de ação lenta.
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