Aqui, apresentamos um método para determinar o coeficiente de atrito de pavimentos com diferentes espessuras de gelo em ambientes fechados. O procedimento completo inclui a preparação do equipamento, o cálculo e análise da queda de neve, calibração do equipamento, determinação do coeficiente de atrito e análise de dados.
O gelo nas superfícies das estradas pode levar a uma diminuição significativa do coeficiente de atrito, pondo assim em risco a segurança de condução. No entanto, ainda não existem estudos que forneçam valores exatos de coeficiente de atrito para pavimentos cobertos de gelo, o que é prejudicial tanto para o projeto da estrada quanto para a seleção de medidas de manutenção de estradas no inverno. Portanto, este artigo apresenta um método experimental para determinar o coeficiente de atrito de superfícies de estradas geladas no inverno. Um testador portátil britânico (BPT), também conhecido como medidor de coeficiente de atrito do pêndulo, foi empregado para o experimento. O experimento foi dividido nas seguintes cinco etapas: preparação do equipamento, cálculo e análise da queda de neve, calibração do equipamento, determinação do coeficiente de atrito e análise dos dados. A precisão do experimento final é diretamente afetada pela precisão do equipamento, que é descrita em detalhes. Além disso, este artigo sugere um método para calcular a espessura do gelo para quantidades correspondentes de queda de neve. Os resultados ilustram que mesmo o gelo irregular formado por uma queda de neve muito leve pode levar a uma diminuição significativa no coeficiente de atrito do pavimento, colocando em risco a segurança de condução. Além disso, o coeficiente de atrito está no seu pico quando a espessura do gelo atinge 5 mm, o que significa que medidas de proteção devem ser tomadas para evitar a formação de tal gelo.
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 Canadá10,11. 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 atrito22,23. 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.
O presente trabalho examina o procedimento para testar o coeficiente de atrito de pavimento gelado utilizando um BPT. Vários pontos precisam ser analisados de forma abrangente e são discutidos em detalhes aqui. Primeiro, em termos de preparação das amostras de mistura asfáltica, deve-se tentar usar o asfalto de petróleo rodoviário para preparar as amostras, mas isso não é um requisito. O preparo das amostras da mistura asfáltica deve ser realizado em estrita conformidade com os protocolos experimentais da ASTM …
The authors have nothing to disclose.
Os autores gostariam de agradecer o Programa de Pesquisa Científica Financiado pelo Departamento de Educação Provincial de Shaanxi (Programa No. 21JK0908).
Brush | Shenzhen Huarui Brush Industry Co., LTD | L-31 | |
Freezing equipment | Haier Group | BC/BD-251HD | |
Measuring cylinder | Zhaoqing High-tech Zone Qianghong Plastic Mould Co., LTD | lb1 | |
Pavement thermometer | Fluke Electronic Insrtument Company | F62MAX | |
Pendulum Friction Cofficient Meter | Muyang County Highway Instrument Co., LTD | / | |
Rubber sheet | Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD | 785120123500 | |
Sliding length ruler | Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD | 785120123500 | |
Tripod | Hangzhou Ruiqi Trading Co., LTD | TRGC1169 |