Método híbrido lattice-elementos discretos para modelagem de ensaios virtuais de lastro ferroviário

Abstract

A modelagem do lastro ferroviário pode ser realizada por diferentes abordagens, por meio de modelos contínuos ou discretos, os quais possuem suas vantagens e desvantagens comparativas. Métodos baseados em mecânica do contínuo costumam utilizar muitos parâmetros empíricos e demandam elevado esforço laboratorial para calibração. Métodos baseados em elementos discretos convencionais possuem elevada capacidade de representação do lastro ferroviário, mas devido a inconsistências físicas em sua formulação podem incorrer no mesmo problema. Este trabalho tem como objetivo propor o uso do método híbrido Lattice – Método dos Elementos Discretos (Híbrido LED) para modelagem de ensaios virtuais de lastro ferroviário. As vantagens do uso desta técnica são: (i) determinação simples dos parâmetros de entrada e otimização de esforços laboratoriais (ii) representação realista de geometrias complexas das partículas do lastro ferroviário (iii) visualização de fenômenos micromecânicos, como fraturamento de partículas; (iv) monitoramento de variáveis de estado ao longo das simulações, como estado de tensão, índices de quebra, porosidade e granulometria. Primeiramente, a calibração dos parâmetros foi realizada a partir de resultados obtidos na literatura de ensaios de laboratório em rocha granítica. Em seguida foram concatenados métodos de geração de partículas, discretização em Voronoi e algoritmos de empacotamento para construir modelos de amostras de lastro ferroviário. Esses modelos foram usados para simular ensaios mecânicos, quais sejam: compressão de partícula, compressão uniaxial confinada, compressão triaxial monotônica, compressão triaxial cíclica e módulo de resiliência. Houve consistência entre os resultados e observações empíricas relatadas na literatura. Além disso, foram observadas variações na granulometria dos corpos de prova durante as simulações, bem como as causas da falha do corpo de prova puderam ser investigadas, se ocorreram primordialmente por deslizamento ou por quebra dos agregados. Além disso, o método permitiu avaliar o tipo de ruptura predominante, se houve quebra nos cantos, fratura por compressão diametral ou esmagamento. Ao analisar esses elementos em conjunto, pode-se obter uma compreensão detalhada do comportamento mecânico do material em estudo. O método apresentou como principal desvantagem o custo computacional que, embora não torne seu uso proibitivo, é mais elevado que em métodos convencionais. Esta dificuldade pode ser superada com o uso de recursos computacionais como clusters e computação em nuvem. Finalmente, conclui-se que o método Híbrido LED é eficaz para simulação de ensaios laboratoriais de lastro ferroviário e capaz de representar geometrias complexas e diversas condições de contorno.