Notas de aulas de Estradas (parte 4)

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1 1 Notas de aulas de Estradas (parte 4) Helio Marcos Fernandes Viana Tema: Características técnicas para projeto Conteúdo da parte 4 1 Introdução 2 Velocidade de projeto (ou velocidade diretriz) 3 Velocidade de operação 4 Veículos de projeto 5 Distâncias de visibilidade

2 2 1 Introdução A fase de projeto geométrico é a fase do projeto de estradas, que estuda as diversas características geométricas do traçado (Ex. Superelevação, superlargura, etc.). i) Fatores que influenciam no traçado geométrico da estrada As características geométricas do traçado de uma estrada são funções: -> Das leis do movimento; -> Das características de operação dos veículos; -> Da reação do motorista; -> Do volume do tráfego; -> Da segurança; e -> Da eficiência das estradas. ii) Resultados de um traçado geométrico ruim para estradas As características geométricas inadequadas são a causa de: -> Acidentes de tráfego; -> Baixa eficiência da estrada (Ex. Muito tempo gasto em percurso pequeno); e -> Obsolescência (ou desuso) precoce da estrada. iii) Ponto básico a ser observado na escolha dos elementos geométricos da estrada A estrada deverá atender os objetivos para os quais foi projetada, de modo que o volume de tráfego justifique o investimento realizado. (Ex. A estrada foi projetada para escoamento da produção de soja da região X, ou desafogar o tráfego na rodovia Y, etc.). OBS. Os elementos geométricos da estrada são: -> Curvas horizontais; -> Tangentes; -> Greides retos; -> Curvas verticais; -> Seções transversais (em corte, em aterro ou mistas); -> Etc. 2 Velocidade de projeto (ou velocidade diretriz) A velocidade de projeto é a máxima velocidade que um veículo pode manter, em um determinado trecho, em condições normais de segurança (pista em bom estado, pista bem sinalizada, veículo em boas condições, etc.).

3 3 2.1 Importância da velocidade de projeto (ou velocidade diretriz) A velocidade de projeto é a velocidade selecionada para fins de projeto da estrada. A operação segura e confortável na estrada está relacionada à velocidade de projeto, pois a velocidade de projeto condiciona (ou influencia) as principais características da via, tais como: a) Raio de curvatura das curvas horizontais; b) Superelevação; c) Distância de visibilidade; e d) Comprimento das curvas verticais. 2.2 Particularidades da velocidade de projeto i) Fatores determinantes da velocidade de projeto A velocidade de projeto de um determinado trecho é definida com base: a) Na topografia da região; e b) Na classe da rodovia (levando-se em conta a classificação quanto às condições técnicas). ii) Caso em que a velocidade de projeto pode variar A principio, uma determinada estrada deve sempre adotar uma única velocidade de projeto. A variação acentuada da topografia de uma região é motivo para uso de velocidades de projeto diferentes em alguns trechos (Ex. Em trechos com traçado desenvolvido em ziguezague, que possui muitas curvas a velocidade de projeto pode ser menor). iii) A velocidade de projeto e o custo da construção da estrada Um dos principais fatores que governam a escolha da velocidade de projeto é o custo da construção da estrada, pois velocidades de projeto elevadas requerem características geométricas mais amplas (ou maiores) no que se refere: a) Às curvas verticais Para velocidades de projeto maiores são usadas curvas verticais mais compridas o que pode requerer mais cortes; b) À largura das faixas de rolamento Velocidades de projeto maiores requerem faixas de rolamento mais largas; e c) Aos acostamentos Para velocidades de projeto maiores são usados acostamentos mais largos. OBS. Velocidades de projeto maiores, também exigem rampas menos inclinadas o que resulta em maiores volumes de corte e aterro.

4 4 2.3 Velocidade de projeto (ou velocidade diretriz) recomendadas para elaboração do projeto geométrico A Tabela 2.1 mostra as velocidades de projeto a serem adotadas para as diferentes classes de projeto em função do relevo da região. Tabela Velocidades de projeto a serem adotadas para as diferentes classes de projeto, levando-se em cota o relevo da região Mais importante que a escolha de uma determinada velocidade de projeto, e a manutenção de um padrão (ou nível) homogêneo de velocidade ao longo do trecho, ou seja, trabalhar no sentido de: a) Se evitar surpresas para os motoristas; e b) Possibilitar aos motoristas um nível uniforme de velocidade. OBS. Como exemplo de surpresas ao motorista, pode-se citar: -> As curvas horizontais repentinas, muito fechadas e mal sinalizadas (Ex. Para fazer uma curva o motorista se vê obrigado a mudar bruscamente para uma velocidade menor, para não ser arrancado para fora da curva pela força centrífuga atuante no veículo). -> Os quebra-molas repentinos e mal sinalizados que podem causar freadas bruscas dos veículos. 3 Velocidade de operação i) Conceito de velocidade de operação A velocidade de operação pode ser definida de duas formas: A velocidade de operação pode ser a média de velocidades para todo o tráfego;

5 A velocidade de operação pode ser a mais alta velocidade de percurso que um veículo pode realizar, em uma dada via, sob condições favoráveis de tempo e tráfego. Contudo, sem exceder a velocidade de projeto. OBS. Como condições ideais, entre elas de tempo e de tráfego, pode-se citar: -> Dia claro, sem chuva, sem vento, etc.; -> Alinhamento geométrico vertical e horizontal para velocidades médias de operação de 100 km/h; -> Via, com no mínimo, duas ou três faixas no mesmo sentido; -> Via sem restrições à ultrapassagem; -> Fluxo livre sem interferências laterais com veículos e pedestres (Ex. Um fluxo sem cruzamentos com sinaleiras, ponto de ônibus, ponto de passagem de pedestres, etc.); -> Via com pavimento em bom estado; e -> Etc. ii) Utilidade da velocidade de operação A velocidade de operação é utilizada nos estudos da capacidade da via e dos níveis de serviço da via. Existem algumas características geométricas da via, que são determinadas em função da velocidade de operação, ao invés da velocidade de projeto, pois nem sempre os veículos conseguem percorrer toda estrada na velocidade de projeto. 5 4 Veículos de projeto Veículo de projeto é o veículo teórico de uma certa categoria, cujas características físicas e operacionais condicionam (ou influenciam) diversos aspectos do dimensionamento geométrico da via. As características físicas e operacionais do veículo de projeto influencia no dimensionamento da via de várias formas, que são apresentadas na sequência a seguir. i) A largura do veículo de projeto influencia nas larguras: a) Da pista de rolamento; b) Dos acostamentos; e c) Dos ramos de intercessões (ou pistas ligadas à intercessão). ii) A distância entre os eixos do veículo de projeto influi: a) No cálculo da superlargura; b) Na determinação dos raios internos e externos das pistas e dos ramos;

6 6 OBS. Ramo de interseção é a pista de intercâmbio destinada a ligar uma via a outra; ou ramo de interseção é uma via secundária que parte de uma rodovia. iii) A relação: peso bruto total do veículo de projeto / potência do veículo de projeto, é importante porque: a) A relação influencia no valor da rampa máxima; e b) A relação participa na determinação da necessidade da faixa adicional de subida. iv) Influência da altura admissível para os veículos de projeto A altura admissível para os veículos de projeto influi no gabarito vertical da rodovia debaixo das redes aéreas, viadutos, sinalização vertical, etc. OBS(s). a) Gabarito vertical é a altura livre vertical na rodovia; e b) Gabarito é a seção livre que é deixada pela estrutura (ponte, viaduto, túnel, etc.) para passagem da rodovia ou hidrovia. v) O comprimento total do veículo de projeto influencia: a) Na largura dos canteiros; b) Na extensão das faixas de espera; e c) Etc. OBS(s). a) Faixa de espera é a faixa lateral da rodovia destinada a paralisação dos veículos por curto período de tempo (Ex. Faixa do ponto de ônibus); e b) Canteiro central é o espaço compreendido entre os bordos internos da pista de rolamento para separá-las (Ex. Gramado central que separa as duas pistas da rodovia Washington Luiz em São Carlos-SP). 4.1 Condições de operação dos veículos em relação ao veículo de projeto Projetar uma rodovia com um determinado veículo de projeto significa em temos gerais que: a) Os veículos com dimensões iguais ou mais favoráveis (menores) que o veículo de projeto possuem condições de operação na rodovia iguais ou mais favoráveis do que aquelas encontradas pelo veículo de projeto. b) Os veículos com dimensões mais desfavoráveis (maiores) que a do veículo de projeto podem percorrer a via; contudo, com condições operacionais na rodovia menos favoráveis do que as mínimas estabelecidas. (Ex. A superlargura, ou aumento da largura da pista nos trechos em curva, que satisfaz o veículo de projeto pode ser pequena para outro veículo).

7 7 4.2 Tipos de veículos de projeto A escolha do veículo de projeto deve levar em consideração o tráfego que utiliza ou utilizará a rodovia, o qual é obtido por contagens ou projeções futuras. Os quatro grupos básicos de veículos de projeto, a serem adotados nos projetos, conforme as características do tráfego são os que se seguem: a) Veículo VP É o veículo que representa os veículos leves, físico e operacionalmente semelhantes ao automóvel, incluindo as vans, pick-ups e similares. b) Veículo CO É o veículo que representa os veículos comerciais rígidos (não articulados) compostos de unidade tratora simples. Os veículos comerciais rígidos abrangem caminhões e ônibus convencionais, normalmente de 2 eixos e 6 rodas. c) Veículos O É o veículo que representa os veículos comerciais rígidos de grandes dimensões, como os ônibus de longo percurso e de turismo, e caminhões longos (Ex. Ônibus e caminhões com eixo tandem). d) Veículo SR É o veículo que representa os veículos comerciais articulados, compostos de unidade tratora simples e semi-reboque. No Brasil, os veículos comerciais rígidos do tipo CO, tendem a condicionar as características de projeto da via. Portanto, basicamente o veículo de projeto normal deverá ser o veículo CO. A Tabela 4.1 resume as principais dimensões básicas dos veículos de projeto, que são recomendados para utilização nos projetos geométricos de rodovias no Brasil. Tabela Principais dimensões básicas dos veículos de projeto (m) A Figura 4.2 ilustra os menores valores de giro do veículo de projeto CO, os quais são importantes para dimensionamento de retorto para pista de tráfego contrário em vias expressas (ou de duas pistas).

8 8 Figura Os menores valores de giro do veículo de projeto CO, os quais são importantes para dimensionamento de retorto para pista de tráfego contrário em vias expressas (ou de duas pistas) 5 Distâncias de visibilidade 5.1 Introdução ao estudo das distâncias de visibilidade Um dos fatores mais importantes para segurança e eficiência operacional de uma estrada é a capacidade da estrada poder proporcionar aos motoristas boas condições de visibilidade. i) Tipos de distância de visibilidade usadas no projeto geométrico Os tipos de distância de visibilidade usadas no projeto geométrico são: a) Distância de visibilidade de parada (D P ); b) Distância de visibilidade para tomada de decisão; e c) Distância de visibilidade de ultrapassagem. ii) Importância de se garantir as distâncias de visibilidade É importante garantir as distâncias de visibilidade ao motorista, de modo que ele não sofra as limitações visuais que são relacionadas às características geométricas da via, e assim o motorista possa: a) Controlar o veículo a tempo de pará-lo e não chocar contra o obstáculo; e b) Controlar o veículo para interromper ou concluir uma ultrapassagem.

9 OBS. Em qualquer trecho da estrada, o motorista deverá dispor de visibilidade, tanto em planta como em perfil, para que possa frear o veículo ante a presença de um obstáculo. iii) Fatores que influenciam nas distâncias de visibilidade a serem proporcionadas ao motorista As distâncias de visibilidade dependem diretamente: a) Das características geométricas da via; b) Das condições de tempo (relacionadas ao sol ou à chuva); c) Do comportamento do motorista; e d) Das características dos veículos (freios, suspensão, pneus, etc.) Distância de visibilidade de parada i) Conceito de distância de visibilidade de parada Distância de visibilidade de parada é a distância mínima necessária para que um veículo, que percorre uma estrada, possa parar antes de atingir um obstáculo na sua trajetória. ii) Cálculo da distância de visibilidade de parada (Dp) A distância de visibilidade de parada é a soma de duas parcelas, conforme a equação 5.1. D p D 1 D 2 (5.1) em que: D P = distância de visibilidade de parada; D 1 = distância percorrida pelo veículo, no intervalo de tempo, entre o instante em que o motorista vê o obstáculo e o instante em que inicia a frenagem. D 2 = distância percorrida pelo veículo durante a frenagem OBS. D 1 também é designada como distância percorrida durante a percepção e a reação. A Figura 5.1 ilustra as duas distâncias que compõem a distância de visibilidade de parada. Figura Distância de visibilidade de parada

10 10 a) Cálculo de D 1 O valor de D1 é calculado com base na velocidade de projeto para um tempo total de percepção e reação de 2,5 segundos. Assim sendo, para velocidade em m/s, tem-se que: D 1 2,5.V (5.2) em que: D 1 = distância percorrida durante a percepção e reação (m); e V = velocidade diretriz ou de projeto (m/s). b) Cálculo de D 2 (distância de frenagem) A distância de frenagem é a distância percorrida desde o início da atuação do sistema de frenagem até a imobilização do veículo. A equação para cálculo da distância de frenagem é: 2 V D2 255.(f i) (5.3) em que: D 2 = distância de frenagem (m); i = inclinação da rampa, m/m (+, se rampa for ascendente; -, se rampa for descendente); V = velocidade diretriz ou de projeto (km/h); e f = coeficiente de atrito longitudinal pneu/pavimento. c) Equação final para cálculo da distância de visibilidade de parada Como: DP D1 D2 então, com base nas eq(s). (5.2) e (5.3), mostradas anteriormente, para velocidade em km/h, tem-se que: D P 0,7.V 2 V 255.(f i) (5.4) em que: D P = distância de visibilidade de parada (m); i = inclinação da rampa, m/m (+, se rampa for ascendente; -, se rampa for descendente); V = velocidade diretriz ou de projeto (km/h); e f = coeficiente de atrito longitudinal pneu/pavimento. d) Valor do coeficiente de atrito longitudinal pneu/pavimento (f = f L ) Medidas experimentais mostram que o coeficiente de atrito varia com: -> Velocidade; -> Tipo de pneu; -> Pressão dos pneus; -> Tipo de pavimento;

11 11 -> Estado da superfície do pavimento; e -> Condições do pavimento (seco ou molhado). Distância de visibilidade de parada excepcional A distância de visibilidade de parada calculada com base na velocidade de projeto é denominada distância de visibilidade de parada excepcional. A Tabela 5.1 indica os valores dos coeficientes de atrito adotados para projeto com base na velocidade diretriz ou de projeto. Tabela Valores dos coeficientes de atrito para cálculo da distância de visibilidade de parada excepcional, que utiliza a velocidade diretriz ou de projeto Distância de visibilidade de parada recomendada Para alguns projetistas, em condições chuvosas, a velocidade efetiva do veículo é reduzida para um valor médio inferior à velocidade diretriz. A distância de visibilidade de parada calculada com base na velocidade média, que é inferior à velocidade de projeto, é denominada distância de visibilidade de parada recomendada. A Tabela 5.2 indica os valores dos coeficientes de atrito adotados para projeto com base na velocidade média em condições chuvosas. Tabela Valores dos coeficientes de atrito para cálculo da distância de visibilidade de parada recomendada, que utiliza a velocidade média em condições chuvosas

12 12 iii) Distância dupla de visibilidade de parada A distância dupla de visibilidade de parada é a distância mínima que dois veículos podem parar, quando eles vêm de encontro um ao outro na mesma faixa de tráfego. A distância dupla de visibilidade pode ser calculada pela seguinte equação: 2 V D 2. 0,7.V (5.5) 255.(f i) em que: D = distância dupla de visibilidade de parada (m); i = inclinação da rampa, m/m (+, se rampa for ascendente; -, se rampa for descendente); V = velocidade diretriz ou de projeto (km/h); e f = coeficiente de atrito longitudinal pneu/pavimento. OBS. Nos cálculos utilizar o i que conduz ao maior D. iv) Observações finais relacionadas à distância de visibilidade de parada a) Em todos os cálculos envolvendo a distância de visibilidade de parada, recomenda-se adotar 1,10 m como altura dos olhos do motorista em relação à pista, e 0,15 m como sendo a altura do obstáculo na pista. b) A distância de visibilidade de parada é utilizada nos cálculos de: -> Interseções; -> Semáforos; -> Curvas verticais; e -> Etc. 5.3 Distância de visibilidade para tomada de decisão Quando há necessidade de manobras súbitas (repentinas ou inesperadas), ou há dificuldades de percepção; Então, as distâncias de visibilidade de parada podem se revelar insuficientes. Assim sendo, a distância de visibilidade para tomada de decisão fornece o comprimento adequado às necessidades do motorista. A distância de visibilidade para tomada de decisão é a distância necessária para que um motorista: a) Tome conhecimento de uma situação potencialmente perigosa, inesperada ou de difícil perceber; b) Avalie o problema, selecione o caminho e a velocidade a empregar, e c) Execute a manobra necessária.

13 Há dois tipos de manobras a serem consideradas nas rodovias, quando se depara com um obstáculo: a) Manobra para parar na rodovia; b) Manobra para se desviar do obstáculo. A Tabela 5.3 fornece as distâncias de visibilidade para tomada de decisão em função da velocidade diretriz (ou de projeto). 13 Tabela Distâncias de visibilidade para tomada de decisão em função da velocidade diretriz (ou de projeto) Velocidade diretriz (km/h) Simples parada (m) Desvios de obstáculos (m) OBS. As distâncias de visibilidade para tomada de decisão não são obrigatórias, mas recomenda-se que se tente atendê-las quando possível. 5.4 Distância de visibilidade de ultrapassagem (D U ) Distância de visibilidade de ultrapassagem é a distância que deve ser proporcionada a um veículo, numa pista simples de mão dupla, para efetuar uma manobra de ultrapassagem com conforto e segurança, quando ele estiver atrás de um veículo mais lento. i) Recomendação quanto à utilização de trechos com distâncias de visibilidade de ultrapassagem nas estradas É recomendado que devam existir trechos com visibilidade de ultrapassagem a cada 1,5 a 3,0 km de rodovia, e que estes trechos sejam tão extensos quanto possível. ii) Esquema para o cálculo da distância de visibilidade de ultrapassagem A Figura 5.2 mostra um esquema de ultrapassagem, e as distâncias utilizadas no cálculo da distância de visibilidade de ultrapassagem. Observa-se na Figura 5.2 que o veículo 1 ultrapassa o veículo 2, e que esta ultrapassagem envolve 4 distâncias distintas.

14 14 Figura Esquema de ultrapassagem para cálculo de D U (distância de visibilidade de ultrapassagem) Na Figura 5.2, tem-se que: d 1 = distância percorrida durante o tempo de percepção, reação e aceleração inicial; d 2 = distância percorrida pelo veículo 1, enquanto ocupa a faixa oposta; d 3 = distância de segurança entre os veículos 1 e 3, no final da manobra; e d 4 = distância percorrida pelo veículo 3 que trafega no sentido oposto. sendo que: D U d 1 d 2 d 3 d 4 (5.6) em que D U = distância de visibilidade de ultrapassagem. iii) Estimativa de d 1, d 2, d 3 e d 4 para cálculo de D U a) d 1 é obtido com base na seguinte equação: a.t 1 t1 d1 v m. 2 3,6 (5.7) em que: d 1 = distância percorrida durante o tempo de percepção, reação e aceleração inicia (m); v = velocidade média do veículo 1 (km/h); m = diferença de velocidades entre os veículos 1 e 2 (km/h); t 1 = tempo necessário para percorrer a distância d 1 (s); e a = aceleração média do veículo 1, em km/h/s. b) d 2 é obtido com base na seguinte equação: d 2 v.t 2 3,6 (5.8)

15 em que: d 2 = distância percorrida pelo veículo 1, enquanto ocupa a faixa oposta (m); v = velocidade média do veículo 1 (km/h); e t 2 = tempo em que o veículo 1 ocupa a faixa oposta (s). c) Estimativa de d 3 (distância de segurança) A distância de segurança é um valor que varia de 30 a 90 m d) Estimativa de d 4 (distância percorrida pelo veículo 3) Segundo a AASHTO, o valor de d 4 é estimado pela seguinte equação: 15 d 4 2.d 3 2 A Tabela 5.4 mostra os valores das distâncias de visibilidade de ultrapassagem determinados pela AASHTO, que também são apresentadas pelo DNER (atual DNIT) para diferentes velocidades de projeto. Tabela Distâncias de visibilidade de ultrapassagem determinados pela AASHTO Velocidade diretriz (km/h) Distância de visibilidade de ultrapassagem (m) Referências bibliográficas PONTES FILHO, G. (1998) Estradas de rodagem projeto geométrico. [S.I.]: Bidim, p. (Bibliografia principal) COSTA, P. S.; FIGUEIREDO, W. C. (2001) Estradas estudos e projetos. Salvador BA: Coleção pré-textos, p. DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS E RODAGEM. Manual de projeto geométrico de rodovias rurais. Rio de janeiro, 1999.