Determinação dos coeficientes de atrito de pavimentos gelados sob diferentes quantidades de queda de neve

O atrito do pavimento é definido como a aderência entre os pneus do veículo e a superfície subjacente da estrada¹. O índice mais comumente associado ao atrito do pavimento no projeto da estrada é o coeficiente de atrito do pavimento. O atrito é um dos fatores mais importantes no projeto da estrada e perde apenas para a durabilidade. Existe uma correlação forte e clara entre o desempenho do atrito do pavimento e o risco de acidente². Por exemplo, há uma correlação negativa significativa entre as taxas de acidentes rodoviários e a resistência à derrapagem do pavimento ^3,4,5. Vários fatores podem contribuir para a diminuição do atrito do pavimento, sendo que um dos mais diretos e influentes desses fatores é a queda de neve⁶. Especificamente, a queda de neve faz com que o gelo se forme no pavimento, resultando em uma redução significativa no coeficiente de atrito da estrada ^7,8. Um estudo com foco nos fatores que influenciam as taxas de acidentes de trânsito no sul da Finlândia observou que as taxas de acidentes geralmente atingem o pico em dias com forte queda de neve e que mais de 10 cm de neve podem levar a uma duplicação da taxa de acidentes⁹. Resultados semelhantes foram encontrados em estudos realizados tanto na Suécia quanto no Canadá^10,11. Portanto, estudar as propriedades de atrito de pavimentos congelados pela neve é crucial para melhorar a segurança rodoviária.

Determinar o coeficiente de atrito de pavimentos gelados é um processo complexo porque o coeficiente de atrito pode variar sob diferentes níveis de queda de neve e espessuras de gelo do pavimento. Além disso, a variação de temperaturas e características dos pneus também pode afetar o coeficiente de atrito. No passado, numerosos experimentos foram realizados para estudar as características de atrito de pneus no gelo¹². No entanto, devido às diferenças em ambientes individuais e características dos pneus, resultados consistentes não podem ser obtidos e utilizados como base para estudos teóricos. Por isso, muitos pesquisadores têm tentado desenvolver modelos teóricos para analisar o atrito dos pneus no gelo. Hayhoe e Sahpley¹³ sugeriram o conceito de troca de calor por atrito úmido na interface entre pneus e gelo, enquanto Peng et ^al.14 propuseram um modelo de dados avançado para prever o atrito com base no conceito acima. Além disso, Klapproth apresentou um modelo matemático inovador para descrever o atrito da borracha áspera sobre gelo liso¹⁵. No entanto, os modelos acima demonstraram apresentar erros significativos, principalmente devido à sua incapacidade de caracterizar com precisão e eficiência as propriedades de atrito de pneus sobre gelo¹⁶.

Para reduzir os erros dos modelos teóricos, é necessária uma grande quantidade de dados experimentais. A Agência Meteorológica Finlandesa desenvolveu um modelo de atrito para prever o atrito do pavimento gelado, e a fórmula para esse modelo foi baseada principalmente em dados obtidos de estações meteorológicas rodoviárias e por meio de análise estatística¹⁷. Além disso, Ivanović et al. reuniram uma quantidade significativa de dados experimentais analisando as características de atrito de pneus sobre gelo e calculando o coeficiente de atrito do gelo por análise de regressão¹⁸. Gao et al. também propuseram um novo modelo de predição da tração pneu-borracha-gelo combinando o algoritmo de otimização de Levenberg-Marquardt (LM) com uma rede neural para obter a fórmula para o coeficiente de atrito no gelo¹⁹. Todos os modelos acima foram validados ou aplicados na prática e são, portanto, considerados viáveis.

Além de métodos teóricos, muitos métodos práticos foram desenvolvidos para medir o coeficiente de atrito de pavimentos em áreas nevadas e congeladas. Devido às particularidades do clima, esses métodos têm sido amplamente utilizados em países nórdicos como Suécia, Noruega e Finlândia²⁰. Na Suécia, os seguintes três tipos principais de dispositivos de medição de atrito são usados: o BV11, SFT e BV14. O BV14, um testador de atrito duplo desenvolvido especificamente para avaliações de manutenção de inverno, está diretamente conectado ao veículo de medição e mede o atrito seco em ambos os caminhos das rodas simultaneamente²⁰. Na Finlândia, o veículo de medição de atrito (TIE 475) é usado para avaliações de manutenção de estradas de inverno, enquanto na Noruega, o dispositivo de medição de atrito ROAR (sem água) é um equipamento comumente usado². A maioria das medições de atrito de inverno realizadas na Suécia, Noruega e Finlândia foi realizada usando carros de passageiros comuns com ABS e instrumentos que medem a desaceleração sob frenagem ^2,20. A vantagem deste método é que é simples e relativamente barato, e a principal desvantagem é que a precisão do método é muito baixa.

Os estudos descritos acima fornecem métodos para prever e detectar coeficientes de atrito no gelo. No entanto, ainda não foi fornecido um método uniforme e um valor específico para orientar os projetistas de estradas. Além disso, para as estradas de inverno, o coeficiente de atrito entre os pneus e o gelo pode variar em relação a diferentes espessuras de gelo, e diferentes medidas de descarte também devem ser implementadas²¹. Portanto, este trabalho tem como objetivo determinar o coeficiente de atrito de estradas geladas sob diferentes quantidades de queda de neve.

Internacionalmente, o testador portátil britânico (BPT) e o testador de atrito portátil do Swedish Road and Transport Research Institute (VTI PFT) são atualmente os instrumentos mais utilizados para medir o coeficiente de atrito^22,23. O PFT é um testador de atrito portátil desenvolvido pela VTI, e permite que o operador faça medições na posição vertical e salve os dados no computador²². O PFT pode medir a maioria das marcações rodoviárias contornadas, mas o número de instrumentos atualmente disponíveis ainda é muito pequeno². O BPT é um testador de coeficiente de atrito do pêndulo que foi desenvolvido pelo British Road Research Laboratory (RRL, agora TRL). O instrumento é um testador de impacto de pêndulo dinâmico usado para medir a perda de energia nos casos em que uma borda deslizante de borracha é impulsionada sobre uma superfície de teste. Os resultados são relatados como British Pendulum Numbers (BPNs) para enfatizar que são específicos desse testador e não diretamente equivalentes aos de outros dispositivos²⁴. O instrumento mostrou-se útil para a determinação de coeficientes de atrito no campo experimental do pavimento²³. Este experimento utiliza o BPT para a determinação de coeficientes de atrito.

O presente estudo descreve o procedimento experimental para mensuração do coeficiente de atrito de pavimentos gelados correspondentes a diferentes quantidades de queda de neve em ambientes fechados. Os problemas a serem observados nos experimentos, como calibração experimental, implementação experimental e os métodos de análise de dados, são explicados em detalhes. Os procedimentos experimentais atuais podem ser resumidos pelas seguintes cinco etapas: 1) a preparação do equipamento, 2) o cálculo e análise da queda de neve, 3) calibração do equipamento, 4) determinação do coeficiente de atrito e 5) análise dos dados.