V JORNADAS LUSO-BRASILEIRAS DE PAVIMENTOS: POLÍTICAS E TECNOLOGIAS

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1 Ricardo Peres Mestrando UNICAMP Gilberto Teixeira da Silva Prof. Universidade Presbiteriana Mackenzie/ doutorando UNICAMP/ São Paulo/Brasil Joao Virgílio Merighi Prof. Universidade Presbiteriana Mackenzie/ UNICAMP/ São Paulo/Brasil Ricardo Peres, Engº. Mestrando - UNICAMP Faculdade de Engenharia Civil. Av. Prof. Almeida Prado, s.n. - Cidade Universitária cep Laboratório de Pavimentos. Gilberto Teixeira da Silva, Prof. MSc. Escola de Engenharia, Engenharia Civil da Universidade Presbiteriana Mackenzie. Rua da Consolação, 896 Prédio São Paulo SP Brasil. Joao Virgílio Merighi, Prof. Dr - Escola de Engenharia, Engenharia Civil da Universidade Presbiteriana Mackenzie. Professor do Programa de Pós Graduação da UNICAMP. Rua da Consolação, 896 Prédio São Paulo SP Brasil. E-

2 INFLUÊNCIA DA NATUREZA DA SUPERFÍCIE DE CONTATO NA GERAÇÃO DE ADERÊNCIA NOS PAVIMENTOS AEROPORTUÁRIOS RESUMO Este trabalho tem por objetivo apresentar o estudo da influência da natureza da superfície de contato na geração de aderência nos pavimentos aeroprotuários. Se por um lado, estatisticamente o transporte aéreo possui um baixo índice de acidentes quando comparado com outras modalidades de transporte terrestre no entanto, quando estes acontecem, envolvem muitas vidas humanas e sempre tem as características de catástrofe. Assim, procura-se discutir o conceito de aderência pneu/pavimento para aeronaves e fazer uma apresentação das tecnologias empregadas ou com potencial de serem utilizadas nos pavimentos aeroprotuários com finalidades anti-derrapantes. PALAVRAS-CHAVE: Hidroplanagem, aderência pneu/pavimento, acidentes aeronáuticos. 1 INTRODUÇÃO Ainda que estatisticamente o transporte aéreo possui um baixo índice de acidentes quando comparando com outras modalidades de transporte terrestre, da ordem de 0,019 acidentes para cada 1 milhão de viagens enquanto que nas rodovias tem-se um valor 10 vezes maior, os acidentes aéreos tem sempre características de catástrofes e com grandes efeitos sociais. Os acidentes aéreos envolvem características específicas em cada caso, pois são envolvidos aspectos tais como: fisiológicos e psicológicos (fator humano), a aeronave e o complexo de engenharia aeronáutica (fator material) e o homen no exercício da atividade aérea (fator operacional). Além destes fatores, as condições meteorológicas contribuem de forma relevante nos acidentes aéreos, em especial nas condições da pista de pouso. O pavimento da pista de pouso molhado é um aspecto contribuinte para a ocorrência do fenômeno da hidroplanagem. Conforme relata MERIGHI et.al [1] entre julho de 2005 e março de 2006, portanto num período de 9 meses ocorreram 4 grandes acidentes motivados por derrapagem da aeronave em pistas molhadas. Em 2 de agosto de 2005, um avião A-340 da Air France derrapou na pista do aeroporto de Toronto. Ao final da derrapagem e choque com uma mureta lateral, o avião pegou fogo havendo perda total da aeronave, contudo, os passageiros conseguiram escapar do que poderia ter sido uma tragédia. Um mês antes, um avião DC-10, da Bangladesch Birman derrapou no aeroporto de Chittagong também. A aeronave sofreu danos sérios. Em julho de 2005, um B 747 da Air Índia, derrapou na pista do aeroporto de Mumbai, indo parar na área de escape do aeroporto não sendo relatado maiores danos materiais ou humanos, exceto a reputação. No Brasil, em 21 de março de 2006, um avião da BRA ao pousar sob intensa chuva no aeroporto de Congonhas, derrapou e quase provoca uma tragédia como pode ser visto na imagem apresentada na Figura 1

3 Figura 1: Avião da BRA em Congonhas março de 2006 [1]. Todos os acidentes mencionados ocorreram em situações de pouso sob fortes chuvas e conforme questiona e explica RANGANATHAN [2], excetuando-se o último acidente relatado, porque acontecem acidentes em pistas molhadas? A principal razão está associada à informação que o piloto recebe, ou seja, que a pista está molhada, ou seja, há menos que 3 mm de água na pista, pelo menos é isso que os manuais explicam. Se ocorrer um aumento da lâmina de água, passa-se à fase de pista contaminada e, a distância de frenagem pode aumentar em 300% em relação à condição de pista seca. Uma adequada operação de pouso ou decolagem depende do contato pneu/pavimento e da aderência entre ambos. A condição de boa aderência entre o pavimento/pneu pode ser conseguida através de uma boa macro-textura e drenagem adequada. 2 FENÔMENO DA ADERÊNCIA PNEU/PAVIMENTO PARA AERONAVES Segundo o GEF-UFSM [3], existem três modalidades de atrito, a saber: atrito seco, atrito viscoso e o atrito de rolamento. O atrito viscoso aparece durante o movimento de um corpo em um fluido e depende da sua forma e da velocidade com que se desloca no interior do fluido, entretanto este atrito também existe entre duas superfícies em movimento relativo separadas por uma película contínua de fluido. Nos dois casos, sendo o módulo da velocidade relativa pequeno, o fluido se separa em camadas paralelas, com um fluido contínuo entre elas, conforme ilustra a figura 2. A força F aplicada a uma das placas, a acelera até que esta atinja uma velocidade V constante, cujo módulo é proporcional ao módulo da força. O fluido presente entre as placas se separa em lâminas paralelas, de tal forma que a lâmina adjacente à placa móvel se move com ela, a lâmina seguinte se move com uma velocidade de módulo ligeiramente menor que a primeira, e assim sucessivamente, até a lâmina adjacente à placa móvel que, como ela, tem velocidade nula. A viscosidade tem como origem a interação entre lâminas adjacentes. As lâminas são puxadas para trás, por uma força devida à lâmina inferior e para a frente, por uma força devida à lâmina superior.

4 PLACA V L FLUIDO F PLACA Figura 2: Ilustração esquemática do mecanismo do atrito viscoso Figura adaptada por SILVA, G.T. No atrito seco, a forças de atrito estático máxima e a força de atrito cinético são muito próximas, e dependem do grau de polimento das superfícies de contato ou ainda do grau de contaminação destas com substâncias estranhas. Para entendermos a origem das forças de atrito seco, devemos considerar, ao nível atômico, que as superfícies têm pequenas irregularidades e que o contato ocorre em um pequeno número de pontos, nos quais as irregularidades se interpenetram e se deformam exercendo forças mútuas cujas intensidades dependem da força que empurra as superfícies uma contra a outra. Ao aplicarmos uma força motriz F a um a das superfícies, no sentido de deslizar uma sobre a outra, surgem forças horizontais f e - f associadas às deformações locais, originadas pela tendência ao movimento relativo entre as duas superfícies, conforme ilustra a figura 3. Enquanto as superfícies permanecem em repouso relativo, o atrito é dito estático, porém quando estas superfícies se deslocam, uma em relação à outra, o atrito é dito cinético. f F - f Figura 3: Ilustração esquemática do mecanismo do atrito seco A força de atrito de rolamento é aquela que surge quando um corpo rola sobre uma superfície sem deslizar, se opondo ao deslocamento. Essa força depende de propriedades das substâncias que constituem os corpos em contato. Admitindo que apenas o corpo que rola se deforma, conforme ilustra a figura 4, as forças de interação entre as superfícies em contato podem se apresentar em três formas diferentes. No primeiro caso, figura 4(a), estando o corpo, de seção reta circular, em repouso sobre a superfície plana, as forças de reação do plano sobre o corpo comparecem aos pares f A e f B, simétricas em relação ao plano vertical que contém o eixo de rotação do corpo. No segundo caso, figura 4(b), estando o copo em movimento, em relação ao

5 plano horizontal, para cada força f A que a superfície exerce sobre o corpo adiante do plano vertical que contém o eixo de rotação do corpo, existe uma força f B, atrás desse plano, de menor intensidade. Essa diferença se deve ao fato de que a região do corpo onde aparece a força f A, tem um movimento local no sentido de se aproximar da superfície plana e a região onde aparece a força f B tem um movimento local no sentido de se afastar da superfície, implicando em uma aceleração linear que se opõe ao deslocamento do corpo, aceleração esta produzida pela resultante dessas duas forças, que será inclinada em sentido contrário ao movimento, conforme ilustra a figura 4(c). Esta resultante tem duas componentes, uma vertical que constitui a reação normal do plano e a componente horizontal F H, que é a força de atrito de rolamento. DESLOCAMENTO f B f A f B f A F F R (a) (b) (c) Figura 4: Representação esquemática das forças para o atrito de rolamento. Em se tratando da interação pneu-pavimento, além do atrito longitudinal que se relaciona com a força que se desenvolve na área de contato quando uma roda travada se arrasta numa situação de emergência, outros aspectos devem ser observados, tais como o coeficiente de atrito transversal, relacionado a força perpendicular ao plano de rotação da roda, quando esta gira com um ângulo em relação a sua direção de avanço em uma situação de derrapagem. Existe ainda outro mecanismo relacionado com o atrito pneu-pavimento, além dos relacionados à adesão superficial pelos vínculos intermoleculares (microtextura), entre a borracha e o agregado da superfície do pavimento, que é a macro-textura do pavimento, conforme ilustra a figura 5, e a fotografia da figura 6. Macrotextura (grossa ou fina) Microtextura (áspera ou polida) Figura 5: Representação esquemática da diferença entre microtextura e macrotextura

6 Figura 6 : Fotografia de corte de pavimento, evidenciando a rugosidade superficial A classificação da textura do pavimento, dada pela ASTM-E867, é apresentada na tabela 1. Tabela 1: Classificação da textura do pavimento pela ASTM E867 Adaptado de OLIVEIRA 2003 [4] INTERVALO DE DIMENSÃO DOMÍNIO HORIZONTAL VERTICAL MICROTEXTURA 0-0,5 mm 0-0,2 mm MACROTEXTURA 0,5-50,0 mm 0,2-10,0 mm A macrotextura está relacionada com a rugosidade superficial do pavimento, relacionadas às agregações pétreas presentes na superfície, já a microtextura se deve a aspereza dos agregados pétreos. As características do pavimento quanto a macrotextura e a microtextura, afetam o coeficiente de atrito pneu-pavimento, e podem gerar quatro tipos de pavimento, como ilustra a figura 7, a saber: Tipo (1): macroestrutura grossa e microestrutura áspera Tipo (2): macroestrutura grossa e microestrutura polida Tipo (3): macroestrutura fina e microestrutura áspera Tipo (4): macroestrutura fina e microestrutura polida

7 atrito (1) (3) (2) (4) 0 Velocidade (km/h) Figura 7: Tendência de comportamento dos quatro tipos de superfície em velocidades variáveis (modificado de PONCINO 2001) OLIVEIRA 2003 A derrapagem acontece quando determinados agentes alteram o coeficiente de atrito do sistema pneu-pavimento, tais como acumulo de água na superfície do pavimento gerando a aquaplanagem, umidade superficial, textura do pavimento inadequada por desgaste ou ainda à presença de partículas sólidas na superfície, como borracha proveniente do desgaste dos pneus das aeronaves. A perda de aderência devido ao desgaste do pavimento, se deve a alteração da microtestura, e ou, da macrotestura; a perda de aderência pela umidade se deve à falta de contato perfeito da borracha com a superfície dos agregados pétreos, denominada viscoplanagem; a perda de aderência pela hidroplanagem se deve à falta de contato entre o pavimento e os pneus da aeronave, o que afeta as condições de aderência. 3 TECNOLOGIAS PARA PAVIMENTOS ANTI-DERRAPANTES EM AEROPORTOS A forma mais conhecida para auxiliar a drenagem dos pavimentos aeroportuários e o grouving no entanto, nos últimos anos tem-se difundido uma nova tecnologia para drenar a água do pavimento. Conhecido como porus concrete ou Portland cement pervious pavement ou ainda no-fines concrete que corresponde a um concreto com uma fundamentação similar às das misturas asfálticas denominadas de open-graded (MERIGHI, FORTES, 2005 (a)) [5] e, finalmente este último, um concreto asfáltico poroso empregado em rodovias nos Estados Unidos desde os anos 50.

8 3.1 Grouving É uma das técnicas utilizadas para a redução da hidroplanagem. Consiste na execução de cortes transversais na superfície do revestimento com o intuito de drenar a água superficial do pavimento. A técnica pode ser utilizada tanto no pavimento em PCC ou CAP Fatores para a necessidade de Grooving. a. Histórico de acidentes e incidentes relacionados com Hidroplanagem no aeroporto. b. Revisão dos índices pluviométricos e a freqüências de pista molhada. c. Condições de superfície (superfície anormal que impede o escoamento de água). d. Qualidade da textura superficial para a derrapagem em condições de pista molhada ou seca. e. Patologia de agregado polido na superfície. f. Macrotextura ou Microtextura inadequada. g. Contaminação da superfície em condições que prejudiquem a condição de atrito. h. Limitação de drenagem. i. Tesoura de vento, no caso particular de comprometimento do atrito de superfície. j. Condição geral da pista Especificação do Federal Aviation Administration De acordo com o documento de AC 150/ C, FAA, 1997 [6], o grooving deve ser contínuo em toda o comprimento da pista e transversal ao sentido de pouso e decolagem. As dimensões estão ilustradas na figura 8.

9 38mm 6mm 6mm Sentido do Grooving Sentido de Pouso ou Decolagem Figura 8: Características geométricas do grooving Fonte: adaptado de AC 150/ C, FAA, OPEN GRADED FRICTION COURSE Open-Graded Friction Course é considerada como sendo uma mistura asfáltica de elevado índice de vazios interconectados, tornando-se poroso e com elevada permeabilidade. O excesso de água superficial pode ser drenado para a sua parte inferior e posteriormente removido através de uma camada impermeável logo abaixo. Com isso, reduz o potencial de hidroplanagem das aeronaves. Kandal e Mallik [7] afirmaram que as misturas tipo OGFC (figura 9) tem sido utilizadas nos Estados Unidos desde os anos 50 e, de acordo ainda com esses autores, a experiência americana tem sido muito variada. Eles afirmam que numa pesquisa realizada junto às agências estaduais de estradas de rodagem, foram encontradas opiniões divergentes quanto à utilização desse tipo de mistura. É importante ressaltar que essa pesquisa [8 e 9], onde 70% das agências de estradas de rodagem que utilizavam esse tipo de mistura reportaram que a vida de serviço é de oito ou mais anos. Aproximadamente 80% das agências que utilizavam especificação própria tanto para projeto como para execução e controle tecnológico enquanto a vasta maioria relata que a boa experiência está associada à utilização de asfaltos modificados por polímeros

10 Agregado Vazios CAP Figura 9 : Esquema da representação do OGFC [1] Estudos preliminares indicam o potencial desse tipo de mistura para ser utilizada como camada de rolamento. As tabelas 2 e 3 apresentadas por MERIGHI e FORTES [10] mostram os resultados das características volumétricas bem como a estabilidade Marshall e a resistênncia à tração por compressão diamentral da misturas com 20% de vazios. Observa-se que as misturas apresentam um elevado índice de vazios, da ordem de 20% e um valor baixo de estabilidade Marshall no entanto, nota-se que há um bom desempenho quanto à resistência à tração por compressão diametral e quanto à permeabilidade. Tabela 2. Resultados das características volumétricas das misturas estudadas [10] Amostra γ m (kn/m 3 ) γ agr (kn/m 3 ) Volume de Vazios (%) VMA (%) VCA (%) VCA LA (%) M M M M

11 Tabela 3. Resultado das características volumétricas, resistência à tração por compressão diametral e permeabilidade das amostras [10] PROPRIEDADE S/ MISTURAS CAP (%) γ m (kn/m 3 ) VMA (%) Vv (%) Marshall Estabilidade 60 ºC (kn) σ T25 (MPa) Permeabilida-de (cm/s) M x 10-3 M x 10-3 M8 AC x 10-3 M8 AC x 10-3 M8 AC x 10-3 M8 Polymer SBS x 10-2 M10 AC x 10-3 M10 AC x 10-3 M10 AC x 10-3 M10 Polymer SBS x POROUS CONCRETE Essa mistura de concreto apresenta elevada porosidade e um esqueleto do agregado graúdo com uma quantidade mínima de argamassa. A presença de uma elevada porosidade, entre 15% a 25% de vazios interconectados possibilita a redução do spray de água que se forma na roda do veículo em pistas molhadas e, reduz sensivelmente a formação de hidroplanagem. Segundo REYES e TORRES [11] atualmente na Alemanha, França, Espanha, Japão entre outros países tem aplicado o concreto poroso, existindo milhões de metros quadrados. De acordo com HOERNER et. al. [12]), o princípio do concreto poroso (e.g., 20% de vazios em volume) possibilita uma boa drenagem superficial no entanto, afirma o autor que experiências na Bélgica apresentaram baixa durabilidade no período de neve o que motivou a adição de elevado teor de cimento e fibras para minimizar essa condição de degradação prematura. O documento GEORGIA STORMWATER MANAGEMENT MANUAL [13] define concreto poroso como uma mistura de agregado graúdo, agregado miúdo e cimento Portland que quando endurecida se comporta como uma camada tipo open-graded com índice de vazios na ordem de 20%. A porosidade é originada pela redução de agregado miúdo quando comparada com os

12 concretos usuais. Esse documento recomenda que se utilize agregado graúdo que passe integralmente na peneira 9,5 mm. Mais, recomenda que a camada porosa tenha de 5 a 10 cm de espessura dependendo da resistência requerida na estrutura do pavimento. ONSTENK et al. [14] afirmam que o elevado índice de vazios associado ao material britado possibilita a formação de uma boa macro-textura drenante e consequentemente, uma boa aderência penu/pavimento. As seguintes vantagens têm sido listadas pelo referido autor: redução do ruído pneu/pavimento; resistência mecânica e módulo de elasticidade compatíveis com o nível de esforços requerido pela estrutura do pavimento; boas macro-drenagem e conseqüente boa resistência à derrapagem; boa aderência entre o concreto poroso e o concreto convencional; consistência; custo comparável aos concretos com médio consumo de cimento. A concepção do concreto poroso é representada esquematicamente (esquerda) na figura 1 onde se pode observar a elevada porosidade enquanto que no lado direito pode-se visualizar a superfície drenante formada no concreto poroso. A Figura 10 mostra a diferença de comportamento de uma placa de concreto de cimento Portland e uma de concreto poroso sobre concreto denso considerando o efeito da chuva. CHUVA PLACA DE CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND SUB-BASE SUBLEITO ~22 cm PLACA DE CONCRETO POROSO CHUVA AUSÊNCIA DE SPLAY/SPLASH 5-10 cm PLACA DE CIMENTO PORTLAND SUB-BASE SUBLEITO Figura 10 : Representação esquemática do comportamento drenante das camadas densas e as camadas tipo open-grade.[1] Estudos preliminares indicam a possibilidade dessa tecnologia como camada final de revestimento e de desgaste para pavimentos aeroportuários. A tabela 4 apresenta resultados preliminares nesse sentido. MERIGHI e FORTES [1] mostram que é possível obter resistência

13 à compressão aos 28 dias de idade superior a 20 MPa com um coeficiente de permeabilidade de 10-3 cm/s. Tabela 4 - Resultados da resistência à compressão, tração na flexão e permeabilidade [1]. Mistura de concreto poroso Resistência à compressão (MPa) - dias Permeabilidade k (cm/s) Resistência à tração na flexão 28 dias (MPa) A1 8,3 21,5 29,5 5,1 x ,5 A2 6,6 20,4 27,4 6,0 x ,3 B1 9,7 19,8 25,2 4,3 x ,2 B2 8,3 17,4 23,3 2,7 x ,4 C1 12,2 24,6 32,1 8,3 x ,1 C2 10,2 22,4 31,2 4,3 x ,9 D1 5,4 16,9 22,1 6,6 x ,8 D2 6,3 15,4 20,4 8,9 x ,7 E1 6,9 12,1 20,3 7,8 X ,6 E2 8,6 11,4 21,2 6,4 X ,7 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS A aderência pneu pavimento está intimamente ligada não só às condições de drenagem, mas, das condições de contato pneu pavimento. Tanto a macrotextura como a microtextura são responsáveis pelas boas condições de dirigibilidade. A simples execução do grooving, ainda que seja uma técnica consagrada nos meios aeroportuários, por si só não garantem um aumento da aderência, mas somente, uma melhoria nas condições de drenagem. Existem tecnologias como as camadas asfáltica tipo open graded frictional course, que vem sendo utilizadas desde os anos 50 em rodovias e hoje, com a introdução do conceito de contato grão-a-grão resultam em camadas resistentes mecanicamente e podem propiciar não só a condição de drenagem mas também, a condição de aumento da macrorugosidade o que viria a contribuir para um aumento da aderência. Outro material que começa a ganhar a atenção dos pesquisadores e o concreto poroso. Ainda que tenha elevado índice de vazios, é possível obter resistências compatíveis com os níveis de tensões exigidas num aeroporto. Assim, os autores esperam ter contribuído com a questão da natureza das condições superficiais na aderência pneu pavimento no caso dos aeródromos e novos materiais alternativos possam oferecem melhor desempenho quanto a segurança das aeronavas. 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] FORTES, R.M.; MERIGHI, J.V. AND BANDEIRA, A. Study of the Concept of Porous Concrete for use on Airport Runways - Southern African Transport Conference (SATC 2006). 10 to 14 July 2006 (A), Pretoria, South Africa ( a ser apresentado).

14 [2] Ranganathan, A, [3] GEF-UFSM- GRUPO DE ENSINO DE FÍSICA UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA Tópicos Especiais Forças de Atrito - <http://www.ufsm.br/gef/index.html#inicio> - Acesso em 22/03/2006. [4] OLIVEIRA, Carlos Gastão Macedo Estudo de Propriedades Mecânicas e Hidráulicas do Concreto Asfáltico Drenante Distrito Federal, 2003 xvii, 87 p., 210 x 297 mm (ENC/FT/UnB, Mestre, Geotecnia, 2003) Dissertação de Mestrado U niversidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental. <http://www.unb.br/ft/enc/geotecnia/teses/gdm111a03.pdf> - Acesso em 22/03/2006 [5] MERIGHI, J.V.; FORTES, R.M. Study Of Laboratory Properties Of Ogfc Considering Stone-On-Stone Contact. Southern African Transport Conference (Satc 2005). 11to 15 July 2005 (A), Pretoria, South Africa. [6] Federal Aviation Administration Advisory Circular AC 150/ C 3/18/97. [7] KANDHAL, P.S. and MALLICK, R.B., Open Graded Asphalt Friction: State of the Practice. NCAT Report No [8] Kandhal, P S and Mallick, R B Design of new-generation open-graded friction courses. NCAT Report No [9] Brown, E R and Haddock, L E A method to ensure stone-on-stone contact in stone matrix asphalt paving mixtures. NCAT Report No. 97-2, 20 p. [10] MERGHI & FORTES - Estudo de Desempenho de Diferentes Misturas Tipo Open- Graded Friction Course - XIII Congreso Ibero-Latinoamericano del Asfalto ( XIII CILA)20 al 25 noviembre, 2005-Centro Convenciones Hotel Herradura San José, Costa Rica. [11]REYES; Fredy & TORRES. Andrés. Concreto Poroso: Tecnologia e Investigatión para su uso em pavimentos, - acesso em 30 de abril de 2006 [12]Georgia Stormwater Management Manual - Volume 2 / Section > < Accessed in February, 25th, [13] ONSTENK, E., AGUADO, A., EICKSCHEN, E., and JOSA A., Laboratory study of porous concrete for its use as top layer of concrete pavements, Proceeding of the Fifth International Conference on Concrete Pavement and Rehabilitation, Purdue University, Indiana, 1993, Vol.2, pp

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