17_ 21 reabilitação de pavimentos reabilitação das características de superfície para a diminuição do ruído pneu-pavimento Elisabete Freitas Professora Auxiliar, Dep. Engenharia Civil, Universidade do Minho, efreitas@civil.uminho.pt Paulo Pereira Professor Catedrático, Dep. Engenharia Civil, Universidade do Minho, ppereira@civil.uminho.pt 1. INTRODUÇÃO A rede rodoviária portuguesa encontra-se praticamente construída sendo a gestão sustentável da sua conservação o desafio que se coloca às administrações rodoviárias. Neste contexto impõe-se a consideração dos problemas ambientais que resultam da exploração e das atividades de conservação das rodovias. Entre esses problemas destaca-se a exposição das populações ao ruído ambiental, cuja componente preponderante é o ruído rodoviário. A Organização Mundial de Saúde (WHO) revelou que os efeitos do ruído ambiental na incomodidade sonora e na saúde das populações incluem doenças cardiovasculares, perturbações cognitivas e de sono, stress e zumbidos [1]. As cartas de ruído elaboradas na europa no âmbito da diretiva 2002/49/EC, relativa à avaliação e gestão do ruído ambiental, mostram que 67 milhões de pessoas (i.e. 55%) que vivem em aglomerados urbanos com mais de 250000 habitantes estão expostas a níveis de ruído diários que excedem 55 db Lden (nível sonoro médio de longa duração, diurno-entardecer-noturno), sendo que no período da noite o tráfego rodoviário é o principal responsável pela exposição de 48 milhões de pessoas a níveis de ruído superiores a 50 db Ln (nível sonoro determinado durante uma série de períodos noturnos representativos de um ano). Fora dos aglomerados urbanos, o tráfego é ainda o principal responsável pela exposição de 34 milhões de pessoas a níveis superiores a 55 db Lden e de 25 milhões a níveis superiores a 50 db Ln [2]. Na União Europeia, os custos sociais da exposição ao ruído rodoviário foram estimados em cerca de 36 biliões de euros por ano [3]. Embora a incomodidade sonora seja um problema complexo que envolve fenómenos físicos, psicológicos e sociológicos, as medidas de mitigação do ruído rodoviário passam apenas pela redução ou limitação da emissão e da propagação do ruído. A primeira ação tomada com vista à redução da emissão de ruído rodoviário teve lugar nos anos 70 com a regulamentação do ruído emitido pelos veículos e mais tarde pelos pneus. No futuro, com a crescente utilização de veículos elétricos é espectável uma redução do ruído rodoviário em meio urbano. Entretanto, a utilização de superfícies rodoviárias de baixo ruído afigura-se como uma solução eficaz e económica para a redução do ruído de contacto pneu-pavimento. Para reduzir a emissão do ruído é ainda possível a adoção de medidas relativas à gestão do tráfego, como por exemplo a limitação da velocidade do tráfego. As ações possíveis para limitação da propagação do ruído incluem a construção de barreiras acústicas, muito restringida em áreas urbanas, o isolamento das fachadas dos edifícios e ainda ações a nível de planeamento urbano, como por exemplo, a orientação adequada das fachadas dos edifícios relativamente às vias de tráfego. No entanto, até por razões regulamentares, a diminuição do ruído tem de ser procurada na sua origem, ao nível da interação pneu-pavimento, pelo que tem sido dada muita importância ao desenvolvimento de soluções de camadas superficiais de pavimentos que originem cada vez menos ruído. Aliás, o ruído de contacto pneupavimento é já considerado uma característica de superfície, a par da textura e do atrito, e foi incluído no conjunto de indicadores de desempenho dos pavimentos na Ação COST 354. Contudo, a informação existente sobre o ruído resultante do contacto pneu-pavimento ao nível da rede rodoviária ainda não é suficiente para apoiar decisões baseadas em critérios de desempenho acústico que contemplem a totalidade da vida das camadas e de critérios subjetivos de incomodidade, mas é suficiente para apoiar a seleção de técnicas de reabilitação em função dos níveis de ruído que proporcionam nos primeiros após construção. Todavia, em Portugal, há ainda um longo caminho a percorrer, que terá que passar pela integração nos planos de controlo de qualidade a monitorização do ruído de contacto pneu-pavimento. A informação resultante da implementação destes planos apoiará, para além da definição do desempenho acústico característico de cada tipo de camada superficial dos pavimentos ao longo do tempo, outras atividades fundamentais, nomeadamente: a classificação das camadas em diferentes categoriais (por exemplo, ruidosas ou de baixo ruído); a definição do âmbito da sua utilização cm_17
reabilitação de pavimentos (estradas urbanas ou rurais submetidas a tráfego predominantemente ligeiro ou pesado); o estabelecimento de limites de intervenção tendo por base critérios subjetivos de incomodidade sonora; o estabelecimento de limites mínimos de geração de ruído, que permitam a deteção dos veículos que circulam a velocidades reduzidas em meio urbano; e o desenvolvimento de novos produtos que garantam um desempenho acústico adequado e desta forma permitam aumentar a competitividade das empresas. > 1 a) b) c) d) MECANISMOS DE GERAÇÃO DE RUÍDO O sistema automóvel é composto por várias fontes sonoras, nomeadamente o motor, a interação pneu-pavimento, as vibrações e choques das diversas partes do veículo e o ruído aerodinâmico. Na gama de velocidades usualmente praticadas, a fonte sonora preponderante é a interação pneu-pavimento, isto é, a velocidades acima dos 35 km/h ou 50 km/h, para veículos ligeiros ou pesados respetivamente [4]. A velocidades inferiores a estes limites predomina a componente do ruído do motor. Os mecanismos de geração de ruído associados à interação pneu-pavimento referem-se: (i) às vibrações, que resultam do contacto dos pneus na superfície e da aderência, e (ii) ao efeito de bombeamento de ar que ocorre no momento em que o pneu interage com a superfície [5]. Estes são, por um lado, amplificados devido ao efeito de pavilhão. Por outro lado, podem ser amplificados ou atenuados em função da relação entre a impedância acústica (absorção) e mecânica da superfície e da frequência de ressonância do sistema roda/ > 2 pneu [6] (Figura 1). Além disso, os mecanismos referidos são influenciados pelo comportamento dos condutores (através do controlo da velocidade e da pressão dos pneus), pelas características dos pneus (estrutura, dimensão, rigidez da borracha, relevo, desgaste e idade), pelas características da superfície do pavimento (micro, macro e megatextura, irregularidade, porosidade, rigidez, idade, desgaste) e pelo clima (presença de água, temperatura e vento). O ruído resultante destes mecanismos pode ser medido por diversos métodos, sendo os mais utilizados o Método Estatístico da Passagem (Statistical Pass-by Method SPB) e o Método da Proximidade Imediata (Close Proximity Method CPX), preconizados nas normas ISO 11819-1 e ISO 11819-2. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS SUPERFÍCIES DE BAIXO RUÍDO O trabalho realizado nas últimas décadas, quer pela indústria quer pelas instituições de investigação, proporcionou um conjunto de técnicas de pavimentação que permitem reduzir o ruído de contacto pneu-pavimento. Com efeito, observou-se que o betão betuminoso denso, o SMA (Stone Mastique Asphalt), habitualmente tomado como referência, os revestimentos superficiais e as misturas em betão de cimento originam mais ruído do que o betão betuminoso drenante, as misturas delgadas, e as camadas poro-elásticas [7-9]. No primeiro grupo, a dimensão do agregado, a qual geralmente é grande, a baixa porosidade e a textura positiva (Figura 2) são fatores que contribuem para elevados níveis de ruído. No segundo grupo, os níveis de ruído mais reduzidos devem-se à menor vibração do pneu, causada sobretudo pelo pequeno tamanho do agregado, e à natureza aberta das misturas, que confere boa drenagem do ar, contribuindo para a redução do ruído de bombeamento de ar e de outros mecanismos semelhantes. O betão betuminoso drenante foi desenvolvido para drenar a água da superfície dos pavimentos, tendo-se verificado que o seu elevado volume de vazios (20-25%) conduzia a uma redução de ruído típica de 2 a 3 db(a). Por apresentar alguns problemas, como a colmatação dos poros, e a geração de vibrações adicionais devido ao tamanho elevado dos agregados, que acabavam por reduzir o efeito desejável da absorção do som, este tipo de camada superficial evoluiu para uma camada dupla. O betão betuminoso de dupla camada (Figura 3) é composto por duas camadas porosas constituídas por agregados de dimensão diferente. Encontra-se no topo uma camada com cerca de 25 mm de espessura e agregados de dimensão reduzida > Figura 1: Ilustração de mecanismos de geração de ruído pneu-pavimento: a) vibração dos blocos do pneu; b) vibração dos flancos; c) bombeamento de ar; d) efeito de pavilhão [5]. > Figura 2: Exemplo de textura positiva (esquerda) e de textura negativa (direita). 18_cm
> 3 > 4 (2/4, 2/6 ou 4/8 mm) e na base outra camada com 45 mm de espessura e agregados com 14 cm ou 16 mm. Estas camadas proporcionam uma redução típica inicial do ruído de cerca de 5 db(a), contudo o problema da colmatação de poros subsiste [10]. Devido à necessidade de conservação e reabilitação dos pavimentos, a construção de camadas superficiais de espessura reduzida (delgadas) tornou-se apelativa. De facto, este tipo de camadas são utilizadas há muitos anos em alguns países do norte da Europa, como por exemplo, a Holanda e a França, por reduzirem o uso de materiais, e consequentemente os custos, por proporcionarem atrito e drenagem superficial da água das chuvas adequados e pela sua intervenção positiva na redução do ruído de contacto pneu-pavimento. No mercado foram identificados cerca de 40 tipos de camadas delgadas, com características muito diversificadas. A Figura 4 mostra o aspeto de algumas superfícies com marca registada. As camadas designadas por poro-elásticas são compostas por elevadas percentagens de grânulos de borracha, até 90% em peso, e por um elevado volume de vazios (Figura 5). Esta técnica foi utilizada pela primeira vez na Suécia no fim dos anos 70, mas só agora se encontra em curso um projeto de investigação (PERSUADE) que pretende resolver os problemas de durabilidade que este tipo de camadas apresentou na sua fase inicial de desenvolvimento [12]. Esta técnica merece destaque por proporcionar reduções de ruído até 12 db(a). As técnicas de reabilitação que contemplam várias das características abaixo enunciadas são uma garantia de que a superfície selecionada proporcionará um nível de ruído significativamente inferior ao das superfícies tradicionalmente utilizadas. A superfície deve ter uma estrutura homogénea, ser compactada com cilindro e estar isenta de irregularidades na gama da megatextura, para evitar fenómenos de vibração nos pneus. A superfície não deve ser lisa, mas ter uma macrotextura adequada (aberta e negativa) conferida de preferência por agregados angulares com dimensão inferior a 8 mm. A dimensão ideal compreende-se entre os 3 e os 5 mm. Desta forma reduz-se o efeito de bombeamento de ar. A superfície deve também ter uma porosidade adequada para assegurar uma boa capacidade de absorção do som, sendo condição fundamental que os vazios sejam comunicantes, reduzindo também o bombeamento de ar e limitando o efeito de propagação do ruído. As superfícies com propriedades viscoelásticas amortecem as vibrações dos pneus e desta forma absorvem o ruído mecanicamente. A avaliação do ruído de contato pneu-pavimento das superfícies utilizadas tradicionalmente em Portugal e ainda de algumas superfícies construídas a título experimental foi feita no âmbito de dois projetos de investigação, realizados pela Universidade do Minho [14] e pelo Laboratório Nacional de Engenharia Civil [15]. Na Figura 6 encontram-se reunidos os resultados de ambos os projetos. Nestes projetos a medição do ruído foi feita pelo método SPB e por uma variante deste método Método de passagem controlada (Controlled pass-by method (CPB) em que os veículos são previamente selecionados). Os valores de cada nível de velocidade (50 km/h, 70km/h e 90 km/h) foram estimados através da reta de regressão determinada para o nível de ruído medido versus logaritmo decimal da velocidade medida dos veículos. A idade de todas as superfícies observadas era inferior a 5 anos e não aparentavam ter qualquer tipo de degradação. Estes resultados mostram claramente que as técnicas de pavimentação de camadas superficiais disponíveis em Portugal contemplam soluções que conduzem a reduções do nível de ruído significativas nos primeiros anos de vida. Por conseguinte, é possível um aumento significativo de qualidade de vida das populações vizinhas de uma estrada e dos seus transeuntes, sem acréscimos de custos, fazendo uma seleção criteriosa da camada superficial. Para efeitos comparativos, mostra-se na Figura 7 o aspeto de algumas superfícies observadas nos estudos referidos. DURABILIDADE ACÚSTICA > 5 CARACTERIZAÇÃO DO RUÍDO PNEU-PAVIMENTO DAS SUPERFÍCIES RODOVIÁRIAS PORTUGUESAS Como qualquer parâmetro de estado do pavimento, como por exemplo o atrito e a capacidade de suporte, o nível de ruído resultante do contacto pneu-pavimento evolui ao longo do tempo. Apesar de em grande parte dos países europeus já se medir o ruído de contacto pneu-pavimento por diversos métodos, > Figura 3: Betão betuminoso drenante de dupla camada: corte esquemático da camada à esquerda [11]; aspeto da camada à direita [10]. > Figura 4: Exemplo de camadas delgada, Microflex à esquerda e Novachip à direita [10]. > Figura 5: Aspeto de superfície poro-elástica [13]. cm_19
reabilitação de pavimentos LEGENDA Betão betuminoso Betão betuminoso (Dmax 12 mm) Betão betuminoso drenante Betão betuminoso rugoso Cubos de granito Microaglomerado a frio duplo (Dmax 10 mm) (Dmax 12 mm) média percentagem de borracha Microbetão betuminoso rugoso Microbetão betuminoso rugoso (Dmax 7 mm) Mistura betuminosa rugosa com Mistura betuminosa rugosa com via seca Mistura delgada aberta Mistura delgada fechada BB BB12 BBd BBr CG maf MBA BBA10 MBA BBA12 MBA BBM mbbr mbbr7 MBR BBA MBR BBS MDa MDf > 6 > 7 a) b) não existe ainda um procedimento aplicado de forma sistemática e inserido nos planos de controlo da qualidade dos pavimentos que permita apoiar o estabelecimento de tendências de evolução do nível de ruído ou modelos de desempenho, para os diversos tipos de camadas. Existem alguns estudos que indicam que as superfícies que alteram menos as suas características superficiais, par ticularmente a macro e megatex tura e a porosidade, têm um comportamento a longo-prazo mais favorável. Para garantir a durabilidade acústica por um período mais longo é aconselhável utilizar mater iais com características melhoradas como, por > Figura 6: Nível de ruído máximo (Lmax) medido pelos métodos c) SPB e CPB. > Figura 7: Aspeto de camadas superficiais de pavimentos rodoviários: a) microaglomerado betuminoso a frio duplo, d) b) betão betuminoso drenante; c) betão betuminoso; d) mistura betuminosa aberta com. 20_cm
exemplo, filer especial para prevenir o aparecimento de deformações plásticas e betumes modificados para evitar o arrancamento dos agregados e assim assegurar uma regularidade adequada por um período de tempo mais longo. PERCEÇÃO DE RUÍDO E DETEÇÃO DE TRÁFEGO Particularmente em meio urbano, questões relacionadas com a perceção e a deteção do ruído rodoviário são relevantes. O ouvido humano transforma flutuações de pressão que se tornam em representações mentais do som. Contudo, o ruído percebido integra uma componente subjetiva relacionada com fenómenos psicológicos e sociológicos. Neste contexto, já foram realizados para as condições portuguesas dois estudos [16-17] cujos resultados relevam a importância da integração de indicadores de ruído subjetivos nos sistemas de gestão da conservação, para apoiar a seleção de técnicas e de estratégias de conservação adequadas a custos mínimos. Devido à redução generalizada do ruído dos veículos e em particular da sua componente de contato pneu-pavimento, a segurança dos utentes vulneráveis das estradas, os peões, em ambiente urbano, pode ficar comprometida, sendo que não está ainda comprovado o aumento da sinistralidade por este motivo [18]. Todavia, para o mesmo nível de ruído ambiente, os veículos que produzem menos ruído, seja com origem no motor seja do contato pneu-pavimento, são menos detetados por crianças e jovens e particularmente por idosos [19]. [10] Goubert L., Tire-road noise: a state of affairs, Management of speed and traffic noise, Gestão da velocidade e do ruído rodoviário, Universidade do Minho, 29 e 30 de maio, Guimarães, 2012 (disponível em http://www.civil.uminho.pt/gvr/). [11] Van Bochove G.G., Twinlay, a new concept of drainage asphalt concrete. Proceedings of 1st Eurobitume and Euroasphalt Congress, Strasbourg, 1996. [12] Goubert L. and Sandberg, U., The PERSUADE project: developing the concept of poroelastic road surface into a powerful tool for abating traffic noise, INTERNOISE 2010, Proceedings, 13-16 junho, Lisboa, Portugal, 2010. [13] http://persuade.fehrl.org/?m=1 (acedido a 7/12/2012) [14] Freitas E.; Machado P. e Raimundo I., Caracterização do ruído pneu-pavimento nas estradas portuguesas, Gestão da velocidade e do ruído rodoviário, Universidade do Minho, 29 e 30 de maio, Guimarães, 2012 (disponível em http://www.civil.uminho.pt/gvr/). [15] Antunes M., Coutinho, A., Freitas E. e Paulo J., Camadas de desgaste para a redução do ruído de tráfego avaliação de pavimentos em serviço, relatório 376/2011 NIRA, pp-30, 2011. [16] Freitas E., Mendonça C., Santos J.A., Murteira C., Ferreira JP., Traffic noise abatement: how different pavements, vehicle speeds and traffic densities affect annoyance levels, Transportation research (Part D): Transport and environment, n.17, pp 321 326, 2012 (http://dx.doi. org/10.1016/j.trd.2012.02.001). [17] Antunes S., Avaliação do Ambiente sonoro em zonas urbanas. Integração de aspectos qualitativos, Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Doutor em Ciências e Engenharia do Ambiente, 2011. [18] Sandberg U., Adding noise to quiet electric and hybrid vehicles: An electric issue. Noise/News, international journal, Volume 20, Number 2, pp 51-67, 2012. [19] Mendonça C., Freitas E., Ferreira J., Raimundo I.; Santos A Jorge, Noise abatement and traffic safety: The trade-off of quieter engines and pavements on vehicle detection, Accident Analysis & Prevention. Volume 51, March 2013, Pages 11 17, 2012 (http://dx.doi.org/10.1016/j. aap.2012.10.018). PUB REFERÊNCIAS [1] WHO, Burden of disease from environmental noise Quantification of healthy life years lost in Europe, World Health Organization Regional office for Europe and EC-JRC, 2011. [2] EC, Report from the Commission to the European Parliament and the Council on the implementation of the Environmental Noise Directive in accordance with Article 11 of Directive 2002/49/EC, European Commission, June 2011 (available at http://ec.europa.eu/environment/noise/home.htm). [3] Boer L.C. and Schroten A., Traffic noise reduction in Europe Health effects, social costs and technical and policy options to reduce road and rail traffic noise, report, CE Delft, 2007. [4] Bendten H., Review of existing low noise surfaces, Thecnical conference, Madrid,2006. [5] Sandberg U. and Ejsmont J., Tyre-Road Noise Reference Book, Informex SE 59040, Kisa, Sweden (www.informex.info), 2002. 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