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CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: ESTRADAS E AEROPORTOS AULA – 04 PROF. DR. MARCELO AMANCIO RIBEIRÃO PRETO 2017 DISCIPLINA ESTRADAS E AEROPORTOS Universidade Paulista – Campus Ribeirão Preto Página 2 PREFÁCIO Este material versa sobre aspectos básicos relacionados com o projeto geométrico de rodovias, com ênfase nos procedimentos de cálculo analítico utilizados para a definição dos parâmetros que caracterizam a geometria das rodovias adequadamente projetadas. O texto foi organizado e apresentado tendo como objetivo principal auxiliar o aluno da disciplina no aprendizado dos conceitos e técnicas elementares relacionados com o projeto geométrico de rodovias, supondo que seja o primeiro contato do aluno com o tema, servindo como uma referência bibliográfica básica e complementar às aulas teóricas. Este texto foi elaborado a partir de conhecimentos gerados e difundidos por intermédio de outras fontes e publicações especializadas, não se pretendendo aprofundar os tópicos além do grau de conhecimento adequado para uma disciplina semestral no nível de graduação. As obras utilizadas para a compilação deste material estão devidamente apresentadas nas referências bibliográficas no final deste material, permitindo ao aluno, consultar as obras dos autores originais na íntegra, quando necessário e para um estudo mais aprofundado de cada tema aqui abordado. Espera-se que através deste material de apoio, que os alunos consigam estabelecer os conceitos de sistemas de vias de transporte e aeroportos, tanto no projeto como na construção, orientando a elaboração de projetos geométricos, pavimentação, drenagem, execução de cortes e aterros nas obras rodoviárias, bem como conceituar parâmetros básicos de aeroportos. Este material será disponibilizada em formato pdf, através de um grupo virtual de estudos, aos alunos da disciplina de Estradas e Aeroportos, para que seja livre a impressão individual parcial ou integral do material. São apresentadas as atividades avaliativas como uma forma de aprendizagem e fixação dos conceitos. Boa leitura, bons estudos. Prof. Dr. Marcelo Amancio Disciplina Estradas e Aeroportos – Curso Engenharia Civil UNIP – Campus Ribeirão Preto engcivilunip17@gmail.com DISCIPLINA ESTRADAS E AEROPORTOS Universidade Paulista – Campus Ribeirão Preto Página 3 SUPERELEVAÇÃO 1 – Introdução: Ao se definir a velocidade diretriz para o projeto geométrico de uma rodovia, procura-se estabelecer, ao longo do traçado em projeto, condições tais que permitam aos usuários o desenvolvimento e a manutenção de velocidades de percurso próximas a esta velocidade de referência, em condições de conforto e segurança. No projeto em planta, o eixo de uma rodovia é constituído por trechos em tangente e em curva, que apresentam condições de operação naturalmente diferentes. Quando percorre um trecho em tangente (trecho em linha reta), o usuário experimenta uma certa sensação de liberdade (ou facilidade) para efetuar pequenas manobras de ajuste lateral no seu curso, não estando sujeito, em princípio, a esforços laterais devidos à geometria da rodovia. Num trecho em curva, entretanto, as condições operacionais se alteram, devido principalmente ao surgimento de esforços laterais, que passam a atuar sobre o veículo, e devido à sensação de maior confinamento que um trecho em curva impõe ao usuário que a percorre. Estes fatores podem afetar, em seu conjunto, a disposição do usuário em manter a mesma velocidade de operação nos trechos em tangente e nos trechos em curva. Visando minimizar o impacto negativo desses fatores inerentes aos trechos curvos, são introduzidos os conceitos de superelevação e de superlargura (veremos em outra aula) que, devidamente considerados nos projetos das curvas horizontais, ensejam condições de operação mais homogêneas para os usuários ao longo das rodovias. 2 – Superelevação Chama-se Superelevação a declividade transversal da estrada feita em torno do bordo interno, nas curvas, proporcionando maior estabilidade aos veículos. Ao percorrer um trecho de rodovia em curva horizontal com certa velocidade, um veículo fica sujeito à ação de uma força centrípeta, que atua no sentido de dentro para fora da curva, tendendo a mantê-lo em trajetória retilínea, tangente à curva. Isto obriga o condutor do veículo a esterçar o volante no sentido da curva para manter o veículo na trajetória desejada. DISCIPLINA ESTRADAS E AEROPORTOS Universidade Paulista – Campus Ribeirão Preto Página 4 Figura 01 – Atuação da força Centrípeta Imaginando-se uma estrada plana, essa manobra do condutor é capaz de manter o veículo na pista, na trajetória curva, isso ocorre, graças ao atrito que se desenvolve entre os pneus e a superfície de rolamento (pavimento). Mas os efeitos combinados da força de atrito e da força centrífuga se fazem sentir tanto sobre os passageiros dos veículos quanto sobre as cargas transportadas. O efeito principal sobre os passageiros é a sensação de desconforto causada pelos esforços laterais que empurram os passageiros para um lado ou para outro, dependendo do sentido da curva. Sobre as cargas, a atuação das forças laterais pode causar danos a mercadorias frágeis e desarrumação dos carregamentos, podendo até mesmo comprometer a estabilidade dos veículos em movimento. Para contrabalançar os efeitos dessas forças laterais, procurando oferecer aos usuários melhores condições de conforto e de segurança no percurso das curvas horizontais, utiliza-se o conceito de superelevação da pista de rolamento, que é a declividade transversal da pista nos trechos em curva, introduzida com a finalidade de reduzir ou eliminar os efeitos das forças laterais sobre os passageiros e as cargas dos veículos em movimento. A superelevação é medida pela inclinação transversal da pista em relação ao plano horizontal, sendo expressa em proporção (m/m) ou em percentagem (%). DISCIPLINA ESTRADAS E AEROPORTOS Universidade Paulista – Campus Ribeirão Preto Página 5 Figura 02 – Superelevação no traçado de uma curva horizontal Observe-se que, na verdade, é a ação da força de atrito que se faz sentir sobre os passageiros e sobre as cargas dos veículos numa trajetória curva. Caso não houvesse o atrito, os veículos simplesmente não responderiam às mudanças de direção das rodas dianteiras e permaneceriam em trajetória retilínea (como em uma superfície de uma estrada congelada por exemplo)); a força de atrito é que atua sobre os veículos (e portanto sobre os respectivos passageiros e cargas), puxando-os para dentro da curva e mantendo-os na trajetória curva ao equilibrar a ação da força centrípeta. DISCIPLINA ESTRADAS E AEROPORTOS Universidade Paulista – Campus Ribeirão Preto Página 6 Figura 03 – Forças atuantes em um veículo em curva Sendo: CG =centro de gravidade; N = força normal; Fa = força de atrito que atua sobre as faces dos pneus em contato com a pista; Fc = força centrífuga, que é horizontal e atua sobre o centro de gravidade do veículo e pode ser decomposta em: Ft = Fc.cos (força tangente à pista) Fn = Fc.sen (força normal à pista) P = força peso do veículo, a qual é vertical e atua sobre o centro de gravidade do veículo, e pode ser decomposta em: Pt = P.sen (peso tangente à pista) Pn = P.cos (peso normal à pista) Estando a pista inclinada com um ângulo ߙ, a superelevação (e) pode ser expressa por: e = tg(ࢻ) (m/m) ou e = 100tg(ࢻ) (%) DISCIPLINA ESTRADAS E AEROPORTOS Universidade Paulista – Campus Ribeirão Preto Página 7 De acordo com o esquema de forças da Fig.02, tem-se na direção x: Mas: onde: m = massa do veículo, em kg; v = velocidade diretriz, em m/s; R = raio de curvatura horizontal, em m; f = coeficiente de atrito transversal pneu/pavimento; g = aceleração da gravidade, em m/s2. Substituindo as Equações: Considerando-se a direção y: Substituindo a Equação: Mas: Substituindo a Equação: Como o ângulo α é pequeno, podemos considerar, sem erro apreciável do ponto de vista prático, sen e α ≅ αtg1 cos ≅ α. Logo, pode-se escrever: DISCIPLINA ESTRADAS E AEROPORTOS Universidade Paulista – Campus Ribeirão Preto Página 8 Trabalhando a expressão: onde tg α = e = Superelevação Assim: Nos casos normais de rodovias rurais, o coeficiente de atrito (f) e o valor da superelevação (e) são pequenos, de modo que o produto f×e aproxima-se de zero. Dessa forma, a Equação reduz-se a: Nas unidades usuais, ou seja, R em metros, V em km/h e g = 9,8 m/s2, tem-se: Temos a fórmula basica teórica da Superelevação: ݁ = ܸଶ127 × ܴ − ݂ Onde: e = superelevação (m/m); V = velocidade diretriz (km/h); R = raio de curvatura (m); f = coeficiente de atrito transversal, entre pneu/pavimento. DISCIPLINA ESTRADAS E AEROPORTOS Universidade Paulista – Campus Ribeirão Preto Página 9 O coeficiente de atrito f difere do conceito puro de coeficiente de atrito da física clássica, pois se trata de um coeficiente de atrito de deslizamento lateral, medido dinamicamente, isto é, com o veículo em movimento. As normas do DNER fixam, como valores de coeficientes de atrito transversal máximo admissível para fins de projeto, os transcritos na tabela a seguir para diferentes velocidades diretrizes. Tabela 01 – Valores Máximos Admissíveis do Coeficiente de atrito fmax Esses valores são bastante inferiores aos limites verificados para determinadas condições de pneus e de pavimentos, e correspondem, na verdade, a coeficientes de atrito que foram medidos experimentalmente, com equipamentos apropriados, em velocidades tais que os motoristas, no limiar da sensação de desconforto, reagiam instintivamente, evitando transitar em velocidades maiores. 2.1 - Valores mínimos e máximos de superelevação No projeto e construção de uma rodovia, os trechos em tangente têm pista dotada de abaulamento (inclinação), para facilitar a condução das águas pluviais para fora da superfície de rolamento. O acúmulo de água na pista poderia causar riscos aos usuários (eventualmente até a aquaplanagem de veículos transitando com excesso de velocidade), além de favorecer a infiltração de águas superficiais para as camadas inferiores do pavimento e para o subleito. As Normas do DNER consideram adequada a utilização dos seguintes valores para o abaulamento (inclinação), nos projetos de rodovias com os pavimentos convencionais, (DNER, 1999, p. 146): - revestimentos betuminosos com granulometria aberta: 2,500% a 3,000%; - revestimentos betuminosos de alta qualidade (CAUQ): 2,000%; - pavimento de concreto de cimento: 1,500%. Nos trechos em curva, a retirada das águas superficiais da pista é possibilitada pela existência de superelevações. Para curvas com raios muito grandes em relação à velocidade diretriz de projeto, os efeitos da força centrífuga resultariam desprezíveis, podendo-se projetar as seções transversais da pista nessas curvas para as condições de trecho em tangente, isto é, com abaulamentos, dispensando-se o uso de superelevações. DISCIPLINA ESTRADAS E AEROPORTOS Universidade Paulista – Campus Ribeirão Preto Página 10 Os valores de raios de curva acima dos quais as Normas do DNER sugerem considerar as curvas como se fossem tangentes, no dimensionamento das seções transversais, estão indicados na tabela a seguir: Tabela 02 – Valores de R que dispensam a Superelevação Curvas com raios abaixo dos valores apontados na tabela 02 exigem a consideração de superelevação adequada. A maior taxa de superelevação admitida para fins de projeto de rodovias no Brasil é de 12%, devendo seu emprego ser limitado a casos de melhorias de rodovias existentes ou de correção de problemas existentes que não permitam o aumento dos raios de curvatura. A superelevação máxima de 10% tem aplicação limitada ao projeto de rodovias de elevado padrão, onde as velocidades de operação dos veículos são relativamente elevadas, com pequena probabilidade de congestionamentos ou de ocorrência de situações que determinem o tráfego a baixas velocidades ou mesmo a parada de veículos sobre a pista. As Normas do DNER permitem a consideração desse valor de superelevação máxima para os projetos na Classes 0 e na Classe I (vide Tabela 04 a seguir) mas recomendam limitar o seu emprego, nos casos de projetos de rodovias em Classe I, para as regiões de relevo plano e ondulado, que compreendem velocidades diretrizes não inferiores a 80 km/h (DNER, 1999, p. 98). Para as demais classes de projeto de rodovias, as Normas do DNER preconizam a adoção da superelevação máxima de 8%; esse valor pode ser também adotado para o projeto de rodovias de padrões mais elevados quando as condições previsíveis sugiram possibilidade de operação com velocidades médias significativamente mais baixas que as desejáveis. A consideração de superelevação máxima de 6% é recomendável para os projetos de rodovias que se desenvolvam em áreas onde as características de ocupação das áreas adjacentes dificultem o projeto de pistas superelevadas ou mesmo interfiram com as condições de fluidez do tráfego nas rodovias, resultando em velocidades de operação reduzidas. Quando as características de ocupação das áreas adjacentes são ainda mais problemáticas, pode-se admitir o desenvolvimento de projetos com superelevação máxima limitada a 4% nas curvas horizontais. A Tabela 03 apresenta resumidamente, os valores das superelevações máximas admissíveis para cada situação de projeto. DISCIPLINA ESTRADAS E AEROPORTOS Universidade Paulista – Campus Ribeirão Preto Página 11 Tabela 03 – Taxas Máximas de Superelevações Admissíveis (emax) Uma vez definido o valor da superelevação máxima para o projeto de uma rodovia, este limite deverá ser observado em todo o projeto, servindo como parâmetro de referência na determinação dos valores específicos de superelevação a adotar para os diferentes raios de curvas, nas concordâncias horizontais. 2.2 - Raios mínimos das concordâncias horizontais Uma vez estabelecida a superelevação máxima a ser observada nas concordâncias horizontais para determinada condição ou classe de projeto de uma rodovia, fica também definido o menor raio de curva que pode ser utilizado, de forma a não haver necessidade de empregar superelevações maiores que a máxima fixada. Trabalhando a equação teórica básica da superelevação é possível determinarmos o R da curva em função da velocidade, superelevação e coeficiente de atrito transversal. ܴ = ܸଶ127 × (݁ + ݂) Sendo raio (R) em metros e velocidade (V) em km/h. Considerando na condição limite, um raio mínimo, que são os menores raios que podem ser percorridos à velocidade diretriz e a taxa máxima de superelevação, em condições aceitáveis de segurança e de conforto de viagem. O raio mínimo de curvatura horizontal é definido pela seguinte expressão: ܴ = ܸଶ127 × (݁௫ + ݂௫) Sendo R em metros e Velocidade diretriz de projeto em km/h. Uma vez fixada à taxa máxima de superelevação para um determinado projeto e estabelecido o máximo de coeficiente de atrito transversal admissível, obtém- se o valor de raio mínimo. Tabela 04 – Características Técnicas para o Projeto de Rodovias Novas 2.3 – Superelevações a adotar nas concordâncias A superelevação máxima estabelecida para o projeto de uma rodovia somente deve ser utilizada nas concordâncias projetadas com o raio mínimo, que é uma condição extrema do projeto, a ser evitada sempre que possível e razoável. Quando se empregam raios de curva maiores que o mínimo, as forças centrípetas envolvidas diminuem à medida que aumenta o raio de curva, reduzindo, consequentemente, os valores de forças de atrito e/ou os de forças devidas à superelevação necessárias para equilibrar a força centrípeta. Dado um raio de curva maior que o mínimo há diferentes formas e critérios de balancear os valores de superelevação (e) e de coeficiente de atrito (f), de modo a que a soma de seus efeitos se iguale à força centrífuga atuante sobre o veículo. O DNER descreve critério simplificado, para a determinação dos valores de superelevação a adotar para cada concordância horizontal no projeto de rodovias. Considerando apenas a velocidade diretriz, foram adotadas basicamente as mesmas hipóteses de referência para contrabalançar o efeito da força centrípeta, delimitando retas limites para as variações de superelevações e de coeficientes de atrito. Tangenciada por esses limites, foi adotada uma curva de variação para calcular diretamente os valores de superelevação ao invés de calcular primeiramente os valores de coeficiente de atrito. A curva adotada pelo DNER é expressa por (DNER, 1999, p. 99): ݁ோ = ݁௫ × ቆ2 × ܴܴ − ܴଶܴଶ ቇ Sendo: eR = superelevação a adotar para a concordância com raio de curva R (%); emáx = superelevação máxima admitida para a classe do projeto (%); Rmín = raio mínimo de curva para a velocidade diretriz considerada (m); R = raio da curva circular utilizada na concordância (m). Exercício 01 – Calcular a superelevação a ser adotada numa concordância horizontal com raio de curva circular R=214,88m, no projeto de uma estrada, em região de relevo ondulado, na Classe II segundo Manual de Projeto Geométrico do DNER. 1º Calcular o raio mínimo circular (Rmin), considerando os seguintes parâmetros: DISCIPLINA ESTRADAS E AEROPORTOS Universidade Paulista – Campus Ribeirão Preto Página 14 - superelevação máxima: emáx = 8,00 % (obtido na Tabela 04); - velocidade diretriz mínima de 70km/h (obtido na Tabela 04); - coeficiente de atrito lateral (fmax) = 0,15 (obtido na Tabela 01); ܴ = ܸଶ127 × (݁௫ + ݂௫) ܴ = 70ଶ127 × (0,08 + 0,15) = 167,75݉ 2º Calcular a superelevação a ser adotada para o projeto da curva em questão, respeitando a situação limite do raio mínimo (Rmin) e a máxima superelevação (emax). ݁ோ = 8,00 × ቆ2 × 167,75214,88 − 167,75ଶ214,88ଶቇ ݁ோ = 7,61% arredondado para o décimo percentual mais próximo, conforme sugere o DNER em tabelas de valores de superelevação, resulta: ݁ோ = 7,70% DISCIPLINA ESTRADAS E AEROPORTOS Universidade Paulista – Campus Ribeirão Preto Página 15 QUESTÕES AVALIATIVAS 1 – Você como engenheiro civil, faz parte de uma equipe responsável por projetar uma estrada em área urbana, que interligue a cidade ao seu distrito industrial. A velocidade de projeto designada é de 60km/h. Calcule o menor raio que se pode ser usado, com segurança, em uma curva horizontal da referida estrada. 2 – As autoridades governamentais decidiram executar uma estrada que interligassem duas cidades por um caminho mais curto em um trecho de relevo plano. Esta decisão foi baseada nos relatórios da equipe técnica que fizeram um estudo detalhado de pesquisa de satisfação dos usuários e contagem volumétrica de veículos, chegando ao resultado de 300vpd a 700vdp (vdp = veículos por dia) que trafegam entre as duas cidades. Com base nestes dados e no raio de uma curva presente no traçado da estrada de 400,00m, calcular a superelevação a ser adotada, de acordo com os critérios do DNER. 3 – O traçado da estrada abaixo, diz a uma estrada projetada para um volume de tráfego de >200 vph ou > 1400vpd em um relevo plano. Com base nestas informações, calcular a superelevação a ser adotada numa concordância horizontal para cada uma das curvas. DISCIPLINA ESTRADAS E AEROPORTOS Universidade Paulista – Campus Ribeirão Preto Página 16 REFERÊNCIAS BIBLIIOGRÁFICAS FILHO, G. P. Estradas de Rodagem: Projeto Geométrico. São Carlos. Editora G. Pontes Filho, 1998. FRAENKEL, B. Engenharia Rodoviária. Editora Guanabara II, Rio de Janeiro, 1990. LEE, S. H. Projeto Geométrico de Estradas. Universidade Federal de Santa Catarina. Programa Especial de Treinamento Engenharia Civil, 2000. PEREIRA, D. M; et al. Projeto Geométrico de Rodovias, Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia – Departamento de transportes, 2010. PIMENTA, C. R. T.; OLIVEIRA, M. P. Projeto Geométrico de Rodovias, São Carlos, Editora Rima, 2º edição. 2016.
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