UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE MECÂNICA APLICADA E ESTRUTURAS ESTRUTURA DE UMA VIA ELEVADA PARA TRENS DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA RODRIGO OTÁVIO DAS NEVES BEZERRA SETEMBRO DE 2007 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO- PROJETO FINAL DE CURSO – RODRIGO OTÁVIO DAS NEVES BEZERRA, 2007 AGRADECIMENTOS À minha orientadora, Michèle Pfeil, pelas horas e dedicação gastas neste projeto; aos professores da COPPE, Eduardo David e Richard Stephan, idealizadores do projeto MAGLEV COBRA, pelo auxílio e confiança no trabalho; aos meus antigos chefes na empresa Sondotécnica S.A., engenheiros Antero Alves e Naje Abud, pela bibliografia e pela compreensão durante a preparação deste trabalho; e aos meus colegas de turma (Felipe, Xande, Táta, Maribat, Fabrício, Leandro, George, Miguel, Luiza, Mônica, Paula, Fabi, Débora, Guilherme, Gérson, entre outros) que me ajudaram durante toda esta jornada acadêmica na faculdade. 1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO- PROJETO FINAL DE CURSO – RODRIGO OTÁVIO DAS NEVES BEZERRA, 2007 RESUMO Neste projeto de final de curso foram dimensionadas duas opções para uma estrutura para trens de levitação magnética, denominada tecnologia MAGLEV COBRA, desenvolvida pela COPPE/UFRJ. O trabalho é dividido na apresentação do projeto, com uma breve descrição das tecnologias existentes e da desenvoldida pela COPPE e suas vantagens em relação aos sistemas de transportes tradicionais, e um resumo da análise estrutural e do dimensionamento de toda a estrutura, com base nas normas utilizadas e critérios de projeto adotados. No final apresentou-se um levantamento orçamentário para a estrutura, incluindo fabricação, montagem e transporte. Anexo encontra-se a memória de cálculo do projeto. 2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO- PROJETO FINAL DE CURSO – RODRIGO OTÁVIO DAS NEVES BEZERRA, 2007 ÍNDICE 1 1. INTRODUÇÃO 2 2. OBJETIVOS DO TRABALHO 3 3. O FENÔMENO DA LEVITAÇÃO 3 3.1. TIPOS DE LEVITAÇÃO 3 3.2. TECNOLOGIAS DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA E SUAS APLICAÇÕES 3 3.2.1. Tecnologia de Levitação Eletrodinâmica (EDL) 4 3.2.2. Tecnologia de Levitação Eletromagnética (EML) 6 8 3.2.3. Tecnologia de Levitação Supercondutora (SQL) 9 3.2.4. A Tecnologia Maglev-HTS desenvolvida pelo LASUP/UFRJ 10 3.2.4.1. Trilho de Levitação 11 3.2.4.2. Motor Linear do Maglev 13 4. DESIGN DO MAGLEV COBRA 5. COMPARATIVO DAS VANTAGENS DA TECNOLOGIA MAGLEV COBRA X TECNOLOGIA VLT 13 5.1. Introdução 13 5.2. Peso dos Veículos 13 5.3. Peso da Super-estrutura da Via Permanente 14 5.4. Efeito Dinâmico 15 5.5. Resistência ao Movimento 16 5.6. Desempenho Energético 16 6. A CONCEPÇÃO DA ESTRUTURA EM VIA ELEVADA 21 23 7. A METODOLOGIA CONSTRUTIVA 24 7.1. Das Vigas 24 7.2. Dos Pilares e Travessas 24 7.3. Das Fundações em Sapata 24 8. RESUMO DA ANÁLISE ESTRUTURAL E DIMENSIONAMENTO 3 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO- PROJETO FINAL DE CURSO – RODRIGO OTÁVIO DAS NEVES BEZERRA, 2007 8.1. Materiais 24 8.2. Ações 25 8.2.1. Ações Verticais 25 8.2.2. Ações Horizontais 25 8.3. Combinações de Ações 26 8.4. Esforços Solicitantes na Seção Transversal da Viga-Mista 28 8.5. Verificação ao Tombamento da Seção Transversal 28 8.6. Empenamento e Distorção da Seção Transversal 29 30 8.7. Verificação à Flexão da Viga-Mista 30 8.8. Resistência ao Cisalhamento da Viga-Mista 30 8.9. Dimensionamento dos Conectores de Cisalhamento 30 8.10. Verificação da Flecha da Viga 31 8.11. Verificação à Fadiga nos Detalhes de Juntas Soldadas 32 8.12. Dimensionamento das Colunas 32 8.12.1. Definição e Geometria do Pilar 32 8.12.2. Solicitações nos Pilares 32 8.12.3. Dimensionamento à Flexo-Compressão nos Pilares 33 8.13. Verificação da Laje (Mesa Superior da Viga-Mista) 33 8.14. Aparelhos de Apoio 33 8.15. Fundações 34 8.15.1. Solicitações nas Fundações 34 8.15.2. Dimensionamento das Sapatas 34 9. ORÇAMENTO DA ESTRUTURA 36 10. CONCLUSÕES 37 11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 38 12. BIBLIOGRAFIA DA MEMÓRIA DE CÁLCULO 13. ANEXOS 4 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO- PROJETO FINAL DE CURSO – RODRIGO OTÁVIO DAS NEVES BEZERRA, 2007 1. INTRODUÇÃO Um dos desafios do Setor de Energia em nosso país, e no mundo, é desenvolver tecnologias que contribuam para o uso racional e eficiente da energia, com maior alcance social e menor impacto ambiental. Para tal são necessários projetos e pesquisas científicas, tecnológicas e experimentais que objetivam a eficiência energética no uso final. Com relação à implantação de projetos de transporte público, os investimentos na infra-estrutura são preponderantes em relação ao custo total, logo qualquer economia nesta área, decorrente de melhorias de projeto e de avanços tecnológicos, deve ser considerada. Um grupo de trabalho que estudou a implantação de uma ligação ferroviária de alta velocidade entre Rio de Janeiro, São Paulo e Campinas, instituído pela Portaria MT 360/2004, chegou à conclusão que 75% do custo total será devido às desapropriações e via permanente, enquanto o material rodante fica em torno de 11%. (Valec, 2005) Dos sistemas de transporte de média capacidade existentes atualmente, o VLT (Veículo Leve sobre Trilhos – ver figura 1) destaca-se pela facilidade de implantação, ao compartilhar o espaço das vias urbanas em faixas segregadas ou em vias elevadas, utilizando os canteiros centrais das vias duplas, que minimiza os gastos com desapropriações. Por este motivo, neste presente trabalho, o veículo MAGLEV será comparado com este sistema, de custo de implantação muito menor do que, por exemplo, o Metrô. Figura 1 – Veículos Leves sobre Trilhos (David, 2005) Os trens leves de levitação magnética, denominada tecnologia MAGLEV COBRA (Fig. 2), que vem sendo desenvolvida no Laboratório de Aplicações de Supercondutores (LASUP) da Universidade Federal do Rio de Janeiro com o auxílio e participação do Laboratório de 5 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO- PROJETO FINAL DE CURSO – RODRIGO OTÁVIO DAS NEVES BEZERRA, 2007 Estudos e Simulações de Sistemas Metro-Ferroviários (LESFER) da COPPE/UFRJ, podem revolucionar a ótica do transporte urbano coletivo como o conhecemos e da infra-estrutura das cidades como um todo. Figura 2 – Protótipo do Veículo MAGLEV COBRA (David, 2007) Em relação aos sistemas de transporte convencionais podemos destacar as seguintes vantagens do MAGLEV sobre os demais: 1. O aspecto estrutural, por permitir seções transversais mais leves devido ao baixo peso-próprio dos trens e a ausência de motores, truques ou quaisquer outros eixos mecânicos; 2. O aspecto do consumo energético e ambiental, por se tratar de energia elétrica sem emissão de gases poluentes ou quaisquer resíduos, e a ausência quase que total de ruídos no sistema; 3. O aspecto estético, com uma nova concepção de trens mais adaptáveis ao meio urbano, mais arrojados, mais funcionais e aerodinâmicos. 2. OBJETIVOS DO TRABALHO Este trabalho de fim de curso de graduação em Engenharia Civil, com ênfase em Estruturas, tem como objetivo a concepção, o dimensionamento e o levantamento orçamentário de uma estrutura em via elevada para os trens MAGLEV COBRA, desenvolvidos pelo LEFSER/UFRJ em parceria com o LASUP/UFRJ A grande motivação para a participação do projeto MAGLEV COBRA é colaborar com o desenvolvimento de uma tecnologia totalmente inédita no Brasil e no mundo, que pode, futuramente, com os devidos incentivos e financiamentos, passar a ser encarado como um projeto desenvolvimentista em tecnologia de ponta e de crescimento para a nação. O estudo presente visa contribuir na parte referente aos custos da obra civil-estrutural para a elaboração de um futuro orçamento global de um projeto de implantação de uma linha modelo/experimental do sistema MAGLEV no Brasil. Vale ressaltar que não há no mundo 6 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO- PROJETO FINAL DE CURSO – RODRIGO OTÁVIO DAS NEVES BEZERRA, 2007 ainda projetos e modelos em escala real utilizando a tecnologia MAGLEV HTS, tratando-se então de um estudo pioneiro, tanto em caráter tecnológico quanto estrutural, onde passamos a ter uma nova forma de interação entre carga-móvel e estrutura, com ausência de atrito e com forças magnéticas fazendo a transmissão de ações e reações entre as cargas e a super- estrutura. 3. O FENÔMENO DA LEVITAÇÃO 3.1 TIPOS DE LEVITAÇÃO Para efeitos de entendimento, as técnicas de levitação podem ser classificadas em 3 tipos: mecânicas, elétricas e eletro-magnéticas. Dentre as técnicas mecânicas, estão as que usam a força pneumática, como no conhecido veículo hovercraft ou ainda as forças aerodinâmicas utilizadas pelos aviões, tecnologia esta conhecida há mais de um século na humanidade. A levitação elétrica baseia-se no princípio básico de repulsão entre cargas elétricas de mesma polaridade dispostas frente à frente, gerando forças repulsoras de igual intensidade e sentidos opostos em cada elemento. Finalmente, podem ser citados os métodos fundamentados na intensidade de um campo magnético. Neste ponto, vale ainda registrar a levitação com materiais diamagnéticos, mas cuja força resultante é bem menor do que as que serão vistas aqui em seguida. Estas técnicas recentes de levitação magnética, devido à intensidade da força resultante que produzem, permitem seu uso em sistemas de transporte ferroviário. A eliminação, pela levitação, do atrito entre rodas e trilho permite ao veículo atingir velocidades superiores a 500 km/h mas, em compensação, exige um sistema de propulsão especial, sendo que os motores lineares são a solução mais adequada. 3.2 TECNOLOGIAS DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA E SUAS APLICAÇÕES Dentre as tecnologias desenvolvidas atualmente, podemos detacar três grupos, que se diferenciam pelo princípio físico ou tecnologia de levitação magnética. Veremos abaixo uma síntese de cada: 3.2.1 Tecnologia de Levitação Eletrodinâmica (EDL) Este tipo de levitação necessita do movimento de um campo magnético nas proximidades de um material condutor (Fig.3). A proposta japonesa de trem de levitação, LEVMAG (www.rtri.or.jp), está baseada neste princípio. 7 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO- PROJETO FINAL DE CURSO – RODRIGO OTÁVIO DAS NEVES BEZERRA, 2007 Figura 3 - Esquema do princípio de levitação eletrodinâmica (Stephan, 2003) Se um material magnético realizar um movimento relativo a uma lâmina condutora (alumínio por exemplo) correntes parasitas serão introduzidas no condutor. Estas correntes, por sua vez, gerarão um outro campo magnético o qual, pela lei de Lenz, opor-se-á ao campo criado pelo material magnético. A interação entre ambos gerará uma pressão magnética e, por conseguinte, uma força repulsiva no material magnético. Esta força é a responsável pela levitação do corpo. 3.2.2 Tecnologia de Levitação Eletromagnética (EML) Esta tecnologia de levitação tem grandes exemplos de sucesso, como na proposta alemã de trem de levitação denominada Transrapid (http://www.transrapid.de), ilustrada nas figuras 4 e 5, que está atualmente implementada na China numa conexão de 30 km entre o Pudong Shanghai International Airport e Shanghai Lujiazui, um distrito financeiro, e também na proposta japonesa HSST. A Suíça também, no seu projeto Swissmetro, emprega esta tecnologia (http://www.swissmetro.com), porém seu projeto encontra-se ainda em fase de projetos e pesquisas. O fundamento físico básico, nesta aplicação, explora a força de atração que existe entre um imã ou eletro-imã e um material ferromagnético. A estabilização, neste caso, só é possível com uma malha de realimentação e regulador devidamente sintonizado. Este sistema regulador e de estabilização (Fig.6) é complexo e muito preciso e está presente ao longo de toda a via, tornando-se uma carga adicional à estrutura. Em termos estruturais um aspecto negativo deste sistema de levitação são as flechas admissíveis nas vigas, flechas estas muito rigorosas para garantir a eficiência de todo o sistema. Com isso as seções transversais das vigas ficam superdimensionadas em relação à segurança em estados limites últimos (ELU) pois a rigidez da estrutura é o fator determinante no dimensionamento. 8 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO- PROJETO FINAL DE CURSO – RODRIGO OTÁVIO DAS NEVES BEZERRA, 2007 Figura 4 - Sistema Transrapid em operação na China (www.transrapid.de, 2007) Figura 5 – Protótipo de demonstração do Transrapid em Munique, Alemanha (www.transrapid.de) Figura 6 - Sistema regulador e de estabilização do Transrapid (www.transrapid.de, 2007) 9