Capítulo 4 - Veículos e suas características

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TRANSPORTES E LOGÍSTICA
CAPÍTULO 4 – VEÍCULOS E SUAS CARACTERÍSTICAS
4.1 – Tipos de Veículos
Os veículos podem ser classificados em vários tipos, segundo o seu grau de divisibilidade. Em um extremo tem-se o veículo constituído de uma única unidade que desempenha todas as funções, ou seja, esta unidade contém os passageiros ou a carga (ou em muitos casos, ambos) e fornece mobilidade e locomoção ao conjunto. Exemplos desse tipo de veículo são os automóveis, ônibus simples, caminhões unitários, furgões, aviões e navios.
Um veículo um pouco diferente desse primeiro tipo, é o composto por um caminhão unitário com um reboque (conhecido no Brasil como “romeu-e-julieta”). O reboque dá mobilidade à carga nele contida, mas não lhe fornece locomoção, que é produzida pelo caminhão unitário ao qual o reboque está acoplado. Outro tipo de caminhão é aquele formado por um cavalo mecânico e uma carreta, que só tem mobilidade quando acoplada ao cavalo mecânico.
Um veículo que também se desloca sobre rodas e que é diferente de todos os acima é o trem ferroviário de carga, onde a unidade de locomoção (a locomotiva) é completamente separada do restante do veículo, composto por vagões que acomodam a carga e lhe dão mobilidade. A Figura 4.1 apresenta uma concepção esquemática dos tipos de unidades que constituem um veículo, em função das suas três características básicas (locomoção e controle, mobilidade e acomodação da carga) e classifica vários tipos de veículos de acordo com o grau de integração destas características. Estudando-se a Figura 4.1, pode-se notar que num automóvel todas as três propriedades estão agrupadas numa única unidade; num trem de carga, a locomotiva é responsável pela locomoção e controle e os vagões acomodam e dão mobilidade à carga; e num trem tipo COFC (“container on flat car”) cada propriedade é dada por uma unidade diferente: a locomoção, pela locomotiva, a mobilidade, pelo vagão plataforma e a acomodação da carga é fornecida pelo contêiner.
Com exceção dos veículos de transporte de passageiros, a maioria dos veículos de transporte de carga pode também ser classificado quanto à forma em que a carga é acondicionada. Existem basicamente duas formas de acondicionamento de carga:
· a carga é acondicionado no próprio compartimento de carga do veículo (cujas características são função do tipo de carga para o qual foi projetado); ou
· a carga é acondicionada em dispositivos de unitização de carga que são colocados sobre uma plataforma de carga do veículo.
Figura 4.1 – Classificação de tipos de veículos segundo o grau de integração de suas características básicas
4.1.1 – Fatores que influenciam a escolha do tipo de veículo
A escolha da tecnologia do veículo adequada a um determinado problema de transporte depende de um grande número de variáveis do sistema e do meio ambiente em que ele funciona, sendo essencial para o sucesso na escolha, a correta identificação do tipo de serviço demandado pelos potenciais usuários do sistema. Entre os fatores que devem ser levados em conta na escolha da tecnologia, pode-se enumerar os seguintes:
1. Necessidade de uso de dispositivos de unitização de cargas;
2. Problemas tecnológicos de controle do veículo nas vias;
3. Grau de utilização de mão-de-obra na operação dos veículos;
4. Restrições de capacidade das vias; e
5. Tipo, conveniência e demanda pelo serviço oferecido.
Para atender melhor às necessidades de cada situação específica, um grande número de alternativas tecnológicas em termos de veículos foram desenvolvidas, entre as quais pode-se apontar os dispositivos de unitização de carga e os trens de veículos.
Os dispositivos de unitização de carga destacáveis dos veículos foram criados visando melhorar a eficiência do uso dos veículos. Pode-se observar, nos veículos que transportam grandes volumes de cargas, que o tempo de carregamento e descarregamento dos veículos é demorado, variando de algumas horas até alguns dias. Isto reduz a eficiência do sistema, pois os veículos não podem ser utilizados durante os períodos de carga e descarga. O uso de dispositivos de unitização de cargas, que podem ser carregados e descarregados rapidamente, libera o veículo (que constitui a parte cara da tecnologia) para executar outras viagens, enquanto se processa o carregamento/descarregamento dos dispositivos de unitização de carga.
Uma das razões pelas quais um trem é composto por uma ou mais locomotivas é vários vagões é o aumento da eficiência do uso das locomotivas. Como o preço de uma locomotiva é muitas vezes superior ao de um vagão, para se obter o uso mais eficiente da locomotiva, ela deve estar constantemente rebocando vagões.
Por isso, quando o trem chega ao pátio, os vagões são desconectados e a locomotiva é liberada para ser utilizada em outra composição, enquanto os vagões são carregados ou descarregados. O movimento dos vagões no pátio é feito através de locomotivas de manobra, que são menores que as locomotivas de linha, ou através da gravidade, em pátios de rampa (“hump yards”), projetados para isto. Pelas mesmas razões, as grandes transportadoras de carga possuem várias carretas para cada cavalo mecânico.
O uso de dispositivos de unitização de carga não é muito útil, contudo, para um serviço local de entregas de pequenas parcelas de carga para muitos destinatários. Como o processo de carregamento e descarregamento nos destinatários é bastante rápido, o uso dessa tecnologia não traz nenhuma vantagem técnica ou econômica para o processamento da carga.
Os problemas tecnológicos de dirigibilidade do veículo ao longo da via também influenciam a escolha da tecnologia mais apropriada. Por exemplo, caminhões unitários muito longos têm mais problemas para negociar curvas de raios pequenos do que caminhões articulados de mesmo comprimento.
Os trens de veículos também permitem economias em termos de pessoal necessário para operar o veículo por volume de carga transportado. Por exemplo, é necessário um grande número de viagens de caminhões para se transportar o volume de carga que um trem pode carregar; por conseguinte, as despesas de mão-de-obra (motoristas) são muito superiores.
A utilização de trens de carga também pode aumentar a capacidade de transporte da via, no caso de ferrovias e barcaças, devido à redução de conflitos de tráfego causados pelos cruzamentos dos veículos.
Veículos de grande capacidade de carga podem ter a desvantagem de reduzir o número de viagens oferecidas. Isto pode ser inconveniente, principalmente no transporte de passageiros ou de correspondência, onde se deseja reduzir a espera a que as cargas são submetidas nos terminais. Esse inconveniente é uma das razões da substituição progressiva dos trens pelos ônibus no transporte interurbano de passageiros no Brasil.
Entretanto, a demanda por transporte pode ser de tal magnitude que a tecnologia de trans de veículos é a melhor solução técnica e econômica. Por exemplo, no transporte urbano de grandes volumes de passageiros em áreas metropolitanas, trens suburbanos, metropolitanos, VLT (veículo leve sobre trilhos) e comboios de ônibus têm grande utilização.
4.2 – Componentes do Peso dos Veículos
As características físicas dos veículos relevantes para o projeto de infra-estrutura de transportes são as dimensões e o peso. O peso total de um veículo pode ser dividido em vários componentes. Por exemplo, o peso global de um caminhão carregado pode ser separado em termos de peso de carga e do peso do caminhão sem a carga.
Um bom conhecimento dos vários componentes do peso dos veículos é importante no planejamento e no projeto de sistemas de transporte. A capacidade de carga (a quantidade de carga que o veículo pode transportar) é preponderante para a análise da produtividade de sistemas e dimensionamento de terminais.
Quando se considera o projeto das vias, o fator mais importante é o peso global e a distribuição deste peso pelos eixos dos veículos. No caso de aviões, o peso do combustível consumido em uma viagem (que pode ser da ordem de um terço do peso total na decolagem)é um componente importante do peso total, enquanto que em outras modalidades o combustível não é considerado como uma parcela relevante.
Ao longo do tempo, os engenheiros especializados em cada tecnologia desenvolveram uma terminologia própria para se referir aos componentes do peso dos veículos. A Tabela 4.1 descreve os principais componentes do peso em cada modalidade de transporte.
Tabela 4.1 – Componentes do peso dos veículos
Como as cargas têm pesos específicos médios diferentes, a capacidade de carga de um veículo tem dois limitantes: o limite de peso e o limite de volume, que podem ser expressos por:
L ≤ Pc
 (4.1)
Vv ≥ Vc
 (4.2)
Onde:
L:
lotação ou peso útil máximo [t]
Pc:
peso da carga transportada [t]
Vv:
volume do compartimento de carga do veículo [m3]; e
Vc:volume da carga transportada [m3].
O peso útil máximo e o volume determinam o peso específico ou densidade de projeto do compartimento de carga (Dcc)
Dcc = L / Vv
Se a densidade da carga exceder este valor, o limite de peso será atingido antes do limite volumétrico e o compartimento de carga do veículo terá uma sobre de espaço. Se o peso específico do frete for menor que Dcc, o limite volumétrico será atingido antes do limite de peso, e o peso bruto do veículo será inferior ao seu peso bruto total. Esta condição é chamada de “cubing out” no transporte aéreo e hidroviário.
O ideal é que tanto o limite de peso como o limite volumétrico, sejam atingidos ao mesmo tempo; caso contrário ocorre desperdício da capacidade de carga em termos de carga paga ou de volume disponível. Por essa razão, veículos de uma mesma modalidade podem ter características bastante diferenciadas em função do tipo de carga para o qual foram projetados.
4.3 – Dimensões de Veículos
O peso dos veículos não é única característica importante para o projeto de sistemas de transporte. As dimensões físicas dos veículos são também características fundamentais para o projeto de diversos componentes de sistemas de transportes, entre os quais se incluem as vias, as interseções e os terminais. Um dos fatores preponderantes no projeto de quaisquer destes elementos são as trajetórias dos veículos, que são função das dimensões e das características tecnológicas de cada tipo de veículo.
Se as dimensões físicas dos veículos determinam o projeto de vias interseções e terminais, as características da infra-estrutura viária existente também influenciam o projeto de veículos, a partir de um determinado volume de investimentos realizados. Por exemplo, o investimento mundial realizado até 1950 no transporte rodoviário (representado pelo alto grau de normatização internacional e pela grande extensão de rodovias construídas) era de tal magnitude que todas as tecnologias de veículos rodoviários mais recentes foram desenvolvidas de forma a permitir que os novos veículos trafegassem pela infra-estrutura já existente.
O resultado disto é que as dimensões físicas dos veículos rodoviários não sofreram alterações tão drásticas quanto em outras modalidades, durante a segunda metade do século XX. No transporte aéreo e no transporte hidroviário marítimo, aspectos econômicos foram dominantes e conduziram a uma profunda alteração nas características dimensionais dos veículos ao longo do tempo. Veja-se, por exemplo, o caso das aeronaves. Um avião típico da época da II Guerra Mundial, o DC-3, tinha comprimento de aproximadamente 20 m, cerca de 26 m de envergadura e carga paga de uma tonelada. Um B-747/200C, que entrou em operação no final dos anos 80, tem cerca de 70 m de comprimento, 60 m de envergadura e é capaz de transportar aproximadamente 130 toneladas de carga paga.
4.3.1 – Fatores limitantes das Dimensões Físicas dos Veículos
Os fatores determinantes das características dimensionais dos veículos são:
· limitações tecnológicas de construção, como acontece com grandes aviões e superpetroleiros;
· limitações impostas pela infra-estrutura existente para cada modalidade (por exemplo, gabaritos de pontes e túneis, carga máxima permitida em obras de arte, etc.);
· condições de estabilidade de veículo, que regulam principalmente a altura máxima;
· condições de controle do veículo, que afetam preponderantemente o comprimento total e o número de unidades em trens de veículos;
· eficiência energética do veículo; e
· eficiência econômica do veículo.
Em função desses fatores, existem comissões criadas pelos órgãos responsáveis pelo planejamento, financiamento, projeto, construção e operação de sistemas de transporte ou seus componentes, cujo objetivo é normatizar as características dimensionais dos veículos e da infra-estrutura. A Tabela 4.2 indica, de forma generalizada, como as características dimensionais dos veículos interferem no projeto da infra-estrutura de transportes.
Nas próximas seções, as dimensões características de veículos são apresentadas por modalidade de transporte, bem como lista-se os nomes adotados tradicionalmente em cada modalidade para estas dimensões, e analisa-se a influência de cada dimensão (ou conjunto de dimensões) no projeto geométrico de vias, interseções e terminais.
Tabela 4.2 – Aspectos do Projeto da infra-estrutura afetados pelas dimensões dos veículos
	Item
	Componente da infra-estrutura
	Largura de Vias
	Rodovias, ferrovias, hidrovias, pistas de pouso e de taxiamento
	Curvas Horizontais
	Rodovias, ferrovias, hidrovias e pistas de taxiamento
	Sobrelargura de Vias
	Rodovias, hidrovias, pistas de taxiamento
	Curvas Verticais
	Valetas e lombadas de rodovias urbanas, rampas de estacionamento em nível de veículos rodoviários
	Profundidade de Canais
	Hidrovias
Figura 4.2 – Composições rodoviárias típicas
4.3.2 – Veículos Rodoviários
Veículos rodoviários têm, genericamente, uma das três formas mostradas da Figura 4.2, ou seja, o veículo pode ser formado por uma única unidade, por uma combinação cavalo mecânico + reboque ou por uma combinação veículo unitário + reboque.
Os eixos dos veículos rodoviários podem ser articulados ou fixos, conforme indica a Figura 4.2. Os eixos articulados do veículo trator e do reboque atuam como mostra a Figura 4.3: no primeiro caso apenas as rodas giram e no segundo, o conjunto formado pelas rodas e pelo eixo gira em torno de um ponto central. O primeiro tipo é usado em veículos tratores; o segundo, tanto em veículos tratores como em reboques.
Em termos práticos, não é necessário fazer distinção entre formas de articulação para o projeto de obras civis. O primeiro tipo é o mais adequado para curvas de pequeno raio, pois o mecanismo de direção é capaz de provocar deflexões diferenciadas para cada roda, compensando a diferença dos raios das trajetórias percorridas. Este sistema é encontrado em todos os automóveis.
Quanto aos eixos fixos, é comum veículos mais pesados possuírem dois ou mais eixos fixos em tandem por razão de distribuição de peso sobre o pavimento das vias. Em termos de geometria da trajetória, esses conjuntos de eixos são substituídos por um eixo equivalente que passa pelo centro geométrico do conjunto, os pontos A e B da Figura 4.4.
Figura 4.3 – Articulações de eixos rodoviários
Figura 4.4 – Conjunto de eixos fixos em veículos rodoviários
As situações em que dimensões dos veículos influenciam o projeto geométrico da infra-estrutura viária são: o movimento retilíneo horizontal, o veículo estacionado, o movimento curvilíneo horizontal e o movimento curvilíneo vertical.
Movimento em Trechos Retos
As dimensões que influenciam o projeto dos trechos de vias onde os veículos têm um movimento retilíneo horizontal ou os locais de estacionamento são a largura, o comprimento e a altura, como mostrado na Figura 4.5. A essas três dimensões são acrescidas as folgas, necessárias para garantir a segurança da operação e a possibilidade de entrar e sairde uma posição de estacionamento.
Figura 4.5 - Dimensões dos veículos rodoviários
A largura da via depende diretamente da largura dos veículos. Ainda que a largura da via seja maior que a do veículo, é necessário acrescentar-se alguma folga para permitir uma operação segura. A capacidade das vias pode ser severamente reduzida caso essas folgas não sejam suficientes, como acontece nas ruas de centros históricos das cidades mais antigas, que foram construídas para veículos de dimensões menores.
A largura das vagas de estacionamento é também função da largura dos veículos. Vagas muito estreitas dificultam a operação de estacionamento.
Em função da altura dos veículos define-se o gabarito das pontes, viadutos e estacionamentos. O gabarito de um viaduto é a altura entre o topo do pavimento e a parte inferior do viaduto, que deve ser tal que permita a passagem segura do veículo. Uma certa folga deve ser adicionada á altura do veículo para dar segurança à operação. Os locais onde o gabarito mínimo não é respeitado devem ser devidamente sinalizados para evitar acidentes.
O comprimento dos veículos define o comprimento das vagas de estacionamento. No caso com estacionamento com anteparas (guias) é necessário considerar também o balanço dianteiro (BD) ou o balanço traseiro (BT) indicados na Figura 4.5.
Movimento em curvas horizontais
Os raios mínimo de giro são importantes para o projeto de vias urbanas, em particular de interseções urbanas e para o projeto de terminais (tais como estacionamentos e pátios de carga e descarga). O desenho da Figura 4.7 mostra a trajetória de um caminhão semi-reboque numa curva de baixa-velocidade (por exemplo, na saída de um terminal). Pode-se notar que os cantos traseiros do reboque não seguem a mesma trajetória dos cantos dianteiros do cavalo mecânico ao longo da curva, e que para acomodar esse veículo na curva é necessário acrescentar uma sobrelargura ao raio mínimo da curva. A magnitude dessa diferença depende da distância entre eixos do veículo, também chamada de base de rodas.
Na determinação de raios mínimos de giro é necessário considerar que:
1 – precisa haver uma transição do trecho reto para o trecho curvo;
2 – o condutor do veículo não consegue girar a direção instantaneamente (normalmente admite-se uma velocidade angular constante); e
3 – ocorre um certo escorregamento lateral das rodas, cuja magnitude depende do coeficiente de atrito da interface pneu/via.
Figura 4.6 – Trajetória de um veículo rodoviário unitário numa curva horizontal
Antes da disseminação de computadores pessoais, costumava-se realizar ensaios com veículos típicos para determinar experimentalmente as correções necessárias para raios de giro mínimo. Atualmente, tanto os raios mínimos como a sobrelargura são determinados através de programas que simulam a trajetória de varredura de cada veículo. Um dos vários programas existentes capazes de simular trajetórias de veículos em curvas em baixas velocidades é o AutoRUN, que permite ao usuário definir as características dos veículos, em função das quais o programa simula o movimento daquele veículo ao longo da curva. A Figura 4.7 mostra uma curva de baixa velocidade de um caminhão articulado desenhada com o auxílio do AutoRUN.
A determinação do valor de projeto da sobrelargura das curvas rodoviárias é feita através do estudo da geometria da trajetória que os vários tipos de veículos rodoviários seguem ao longo de uma curva horizontal. A Figura 4.6 mostra a trajetória de um veículo unitário que realiza uma curva horizontal. As dimensões do veículo importantes para a determinação desta trajetória são:
Figura 4.7 - Trajetória de um caminhão articulado numa curva de baixa velocidade, desenhada pelo AutoTURN
CT:
comprimento total
BT:
balanço traseiro
DE:
distância entre eixos (eixos equivalentes no caso de multi-eixos)
BD:
balanço dianteiro
L:
largura do veículo
Bt:
bitola traseira
Bd:
bitola dianteira
α:
ângulo de deflexão da direção
A trajetória do veículo é determinada pelos seguintes parâmetros:
r1:
raio da trajetória descrita pela roda dianteira externa
r2:
raio da trajetória descrita pela roda dianteira interna
R1:
raio do ponto extremo interno à curva, a ponta interna do pára-choque traseiro
R2:
raio crítico da roda interna traseira
R3:
raio crítico da roda externa dianteira
R4:
raio do ponto extremo dianteiro externo, a ponta externa do pára-choque dianteiro
R5:
raio do ponto extremo traseiro, a ponta externa do pára-choque traseiro
SL:
sobrelargura da via necessária na curva
Figura 4.8 – Sobrelargura máxima em curvas de baixa velocidade
O caso de veículos compostos é um pouco mais complexo. O processo para determinação experimental dos raios mínimos de giro destes veículos é semelhante ao apresentado para o veículo unitário. A sobrelargura depende da configuração do veículo, do tipo e da localização relativa do ponto ou dos pontos de articulação. O gráfico da Figura 4.8, que mostra a variação da sobrelargura máxima com a distância entre eixos e a configuração dos caminhões, foi elaborado a partir de resultados de medidas experimentais da sobrelargura com caminhões norte-americanos típicos. Em função destes resultados, o valor recomendado para a sobrelargura, na América do Norte, é de 6 m.
Pode-se também desenvolver gabaritos para os veículos típicos que trafegam na malha viária, a partir de dimensões e características geométricas destes veículos. A Figura 4.9 contém um exemplo de gabarito de curvas horizontais para carros e utilitários.
Figura 4.9 – Gabarito de curva horizontal para carros e utilitários
A análise de movimentos curvilíneos é normalmente realizada para um veículo crítico para o projeto específico, por exemplo, para o treminhão que deve usar o pátio de descarga de uma usina de açúcar.
Movimento em curvas verticais
O movimento curvilíneo vertical é o tipo de movimento que ocorre na transição de rampas, passagem em valetas e lombadas, que são curvas côncavas ou convexas. O problema é ilustrado na Figura 4.10. Se os raios de curvatura R1 ou R2 forem muito pequenos, o ponto extremo inferior do veículo pode tocar a via, o que, dependendo da magnitude do choque, pode danificar o veículo.
Nas curvas côncavas, o ponto que pode tocar o chão é, normalmente, um ponto extremo na frente ou na traseira (o mais comum) do veículo, e nas curvas convexas, o ponto crítico se situa entre os eixos. O raio mínimo das curvas verticais depende do comprimento total do veículo (CT), da altura do ponto mais baixo de veículo (a), dos balanços (BT e BD) e da altura dos balanços traseiro (ht) e dianteiro (hd).
Figura 4.10 – Movimento de um veículo rodoviário numa curva vertical
Veículos rodo-ferroviários
Peso Útil: peso da carga transportada pelo veículo
Lotação ou Peso Útil Máximo (L): capacidade máxima em peso (da carga) que o veículo pode transportar em acordo com suas características de projeto e construção
Tara ou Peso Morto (T): peso do veículo em condições operacionais básicas (não inclui o peso da carga, mas em geral inclui combustível e pessoas necessárias à operação do veículo)
Peso Bruto, Peso Bruto Total ou Peso Total: é dado pela soma do peso útil e da tara: peso bruto = peso útil + tara
Peso Bruto Total Combinado (PBTC): é dado pela soma dos pesos brutos das unidades que compõem o veículo
Peso Bruto Máximo: o peso máximo legal do veículo carregado. É dado pela soma da tara e da lotação: PBT = tara = lotação
Veículos hidroviários
“Deadweight” de Carga (DWT de Carga) ou Peso Útil: é o equivalente ao peso útil dos veículos rodo-ferroviários
Peso do Navio Leve ou Peso Operacional Básico: peso do veículo em condições operacionais básicas sem carga
Deslocamento, Peso Bruto, Porte Bruto ou “Deadweight” (DWT): é a soma do DWT de Carga e do Peso do Navio Leve: DWT = DWT de Carga + Peso do Navio Leve
Veículos Aéreos
Carga Paga, Peso Útil ou “payload”: é o peso da carga transportada pelo veículo
Carga Paga Máxima: o equivalente ao peso útil máximo de veículos rodo-ferroviáriosPeso Operacional Básico (POB): o peso do avião equipado sem combustível
Peso de Combustível: uma parcela à parte, pois o combustível constitui uma parte ponderável do peso bruto da aeronave
Peso Bruto de Decolagem: a soma do peso operacional básico, da carga paga e do peso de combustível (peso bruto de decolagem = POB + carga paga + peso de combustível). Normalmente o peso bruto máximo de decolagem é menor que a soma do POB, da carga paga máxima e da capacidade máxima dos tanques de combustível, devido a uma condição de limite estrutural do avião.
Peso Máximo Zero Combustível: também é uma limitação estrutural, ou seja, mesmo que a capacidade volumétrica dos porões não tenha sido atingida, a soma POB com a carga paga não pode exceder esse valor
Peso Máximo de Pouso: outra limitação estrutural (do trem de pouso) que, às vezes, impõe que uma determinada parcela de combustível precisa ser consumida ou alijada antes que a aeronave possa pousar em segurança.
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