UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE TRANSPORTES CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
PAULO JUNIOR RODRIGUES FONSECA
ANÁLISE COMPARATIVA DE DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTO FLEXÍVEL AEROPORTUÁRIO PELOS MÉTODOS MECANICISTA E FEDE RAL AVIATION AVIA TION ADMINIST ADMI NISTRATIO RATION N (FAA) EMPÍRICO DA FEDERAL (FAA)
Fortaleza 2013
PAULO JUNIOR RODRIGUES FONSECA
ANÁLISE COMPARATIVA DE DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTO FLEXÍVEL AEROPORTUÁRIO PELOS MÉTODOS MECANICISTA E EMPÍRICO DA FEDERAL AVIATION AVIA TION ADMINISTR ADMIN ISTRATIO ATION N
(FAA)
Monografia apresentada ao curso de Engenharia Civil do Centro de Tecnologia, como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro Civil. Orientador: Prof. Dr. Ernesto Ferreira Nobre Júnior. Co-Orientador: Prof. MSc. Francisco Heber Lacerda de Oliveira.
Fortaleza - Ceará Fevereiro de 2013
PAULO JUNIOR RODRIGUES FONSECA
ANÁLISE COMPARATIVA DE DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTO FLEXÍVEL AEROPORTUÁRIO PELOS MÉTODOS MECANICISTA E EMPÍRICO DA FEDERAL AVIATION AVIA TION ADMINISTR ADMIN ISTRATIO ATION N
(FAA)
Monografia apresentada ao curso de Engenharia Civil do Centro de Tecnologia, como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro Civil. Orientador: Prof. Dr. Ernesto Ferreira Nobre Júnior. Co-Orientador: Prof. MSc. Francisco Heber Lacerda de Oliveira.
Fortaleza - Ceará Fevereiro de 2013
PAULO JUNIOR RODRIGUES FONSECA
ANÁLISE COMPARATIVA DE DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTO FLEXÍVEL AEROPORTUÁRIO PELOS MÉTODOS MECANICISTA E EMPÍRICO DA FEDERAL AVIATION AVIA TION ADMINISTR ADMIN ISTRATIO ATION N
(FAA)
Monografia apresentada ao curso de Engenharia Civil do Centro de Tecnologia, como requisito parcial para a obtenção do Título de Engenheiro Civil.
Aprovado em ___/___/___
BANCA DE APROVAÇÃO
_____________________________________________ Prof. Dr. Ernesto Ferreira Nobre Júnior (Orientador) Universidade Federal do Ceará (UFC) _____________________________________________ Prof. MSc. Francisco Heber Lacerda de Oliveira (Co-Orientador) Universidade de Fortaleza (UNIFOR) _____________________________________________ MSc. Nelson Rodrigues Rocha Filho (Avaliador externo) _____________________________________________ José Flávio Paula de Lima (Avaliador externo)
DEDICATÓRIA
Aos meus pais, Paulo e Toinha. A minha irmã, Alessandra.
AGRADECIMENTO A Deus, pelo dom da vida e pela capacidade de raciocinar. Aos meus pais, Paulo e Toinha, pelo apoio, amor, dedicação e oportunidade de concluir a graduação. À minha irmã, Alessandra, pelo companheirismo e pelos conselhos nos momentos mais difíceis. À minha namorada e amiga, Elen Cristina, pelo apoio, paciência e compreensão durante a elaboração do projeto. Aos orientadores, Ernesto Ferreira Nobre Júnior e Francisco Heber Lacerda de Oliveira, pelo apoio, compreensão e disposição em ajudar e querer sempre o melhor durante esse último ano. À professora examinadora e orientadora da disciplina de Projeto de Graduação, Verônica Teixeira Franco Castelo Branco, pelas críticas e sugestões apontadas nas apresentações dos relatórios de atividades. Àqueles que compõem o corpo técnico da Rocha Engenharia e Projetos Aeroportuários, Nelson Rocha e Thiago Fiorio, pelos ensinamentos técnicos, oportunidades e lições de vida apresentadas no dia-a-dia do escritório de engenharia. Àqueles com quem, por mais tempo, tive a oportunidade de estudar, trabalhar e conviver, Átilla Ferreira, Alex Duarte e Rafael Diógenes. Aos meus amigos da faculdade, pelas noites mal dormidas e por todos os momentos vividos nos últimos cinco anos.
1.
AGRADECIMENTO
“Que Deus me conceda falar com inteligência e um pensar semelhante a este dom, pois ele não só mostra o caminho da sabedoria, mas também dirige os sábios.” (Sabedoria 7,15)
RESUMO Este trabalho apresenta uma análise comparativa entre os resultados de dimensionamento da estrutura de pavimento flexível da pista de pouso e decolagem do Aeroporto Internacional Pinto Martins, localizado em Fortaleza, estado do Ceará, pelos métodos empírico e mecanicista da Federal Aviation Administration – FAA. É realizada uma revisão bibliográfica sobre os elementos técnicos e operacionais que compõem as pistas de pouso e decolagem, o desenvolvimento do dimensionamento de pavimentos aeroportuários através dos valores do California Bearing Ratio – CBR e as correlações para o Módulo de Resiliência. Os métodos de dimensionamento da FAA são descritos minuciosamente com o intuito de mostrar os detalhes do dimensionamento de um pavimento flexível aeroportuário. As análises foram realizadas verificando a vida útil e dimensionando a estrutura de pavimento flexível da pista de pouso e decolagem do Aeroporto de Fortaleza considerando os mix de aeronaves dos Aeroportos de Brasília, Aracaju e Paulo Afonso, que possuem características operacionais distintas entre si, bem como do aeroporto do estudo de caso. Para as três situações de mix de aeronaves, a pista de pouso e decolagem do Aeroporto de Fortaleza apresentou-se superdimensionado tanto para a vida útil quanto para a sua estrutura, em ambos os métodos de dimensionamento. Diante desse fato, propõe-se, através do método mecanicista, um dimensionamento técnica e economicamente viável para ser empregado na execução de uma estrutura de pavimento flexível para cada mix de aeronaves apresentado.
Palavras-chave: Dimensionamento. Pavimento Flexível. Pista de Pouso e Decolagem. FAA.
ABSTRACT This paper presents a comparative analysis between the results of the structure design of flexible pavement of the runway Pinto Martins International Airport, located in Fortaleza, state of Ceará, by empirical and mechanistic methods of Federal Aviation Administration – FAA.The review literature presents the technical and operational elements that make up the runways, the development of airport pavement design through the values of the California Bearing Ratio - CBR and the correlations for Resilient Modulus. The FAA design methods are thoroughly described in order to show the details of the design of a flexible pavement airport. Analyses were performed to check and design the life of the flexible pavement structure of the runway from the Fortaleza Airport considering the mix of aircraft of Airports of Brasilia, Aracaju and Paulo Afonso, who has operational characteristics distinct from each other as well as the airport case study. For the three mix of aircrafts situations, the runway from the Fortaleza Airport presented oversized design both for life cycle and for its structure, in both design methods. Thus, it is proposed by the mechanistic method, a design technically and economically feasible to be used in the implementation of a flexible pavement structure for each mix of aircraft.
Keywords: Design. Flexible Pavement. Runway. FAA.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 2.1 – Resposta mecânica de pavimento flexível: pressões concentradas. ..................... 23 Figura 2.2 – Resposta mecânica de pavimento rígido: pressões concentradas. ....................... 23 Figura 2.3 – Configuração dos trens de pousos das aeronaves. ............................................... 24 Figura 2.4 – Curva de dimensionamento de espessuras de pavimentos flexíveis. ................... 34 Figura 2.5 – Curva A e B para dimensionamento de pavimentos. ........................................... 35 Figura 2.6 – Extrapolação da Curva A pela equação de Boussinesq........................................ 36 Figura 2.7 – Curva de Dimensionamento para pavimentos aeroportuários. ............................ 37 Figura 3.1 – Espessura mínima para a camada de base. ........................................................... 45 Figura 3.2 – Exemplo gráfico da contribuição do CDF em um mix de aeronaves. .................. 48 Figura 3.3 – Camadas para revestimento, base e sub-base disponíveis no software. ............... 48 Figura 3.4 – Inserção do mix de aeronaves............................................................................... 50 Figura 3.5 – Resultado do dimensionamento. .......................................................................... 53 Figura 3.6 – CDF Graph de uma estrutura de pavimento dimensionada. ................................ 54 Figura 3.7 – CDF Graph de uma estrutura de pavimento dimensionada. ................................ 54 Figura 5.1 – Aeroporto Internacional Pinto Martins – Fortaleza em 1963............................... 57 Figura 5.2 – Estrutura do pavimento flexível da pista de pouso e decolagem em centímetros. .................................................................................................................................................. 57 Figura 5.3 – Mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília cadastrado no FAARFIELD. ........................................................................................................................... 60 Figura 5.4 – Mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju cadastrado no FAARFIELD. ........................................................................................................................... 62 Figura 5.5 – Mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso cadastrado no FAARFIELD. ........................................................................................................................... 64 Figura 5.6 – Verificação da vida útil de projeto para o mix de Brasília. .................................. 65 Figura 5.7 – Verificação da vida útil de projeto para o segundo mix de aeronaves. ................ 66 Figura 5.8 – Verificação da vida útil de projeto para o terceiro mix de aeronaves. ................. 67 Figura 5.9 – Ábaco de dimensionamento de pavimento flexível para uma aeronave de roda tandem duplo. ...........................................................................................................................70 Figura 5.10 – Estrutura de pavimento para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília. ..................................................................................................................................... 71 Figura 5.11 – Ábaco de dimensionamento de pavimento flexível para uma aeronave de roda
dupla. ........................................................................................................................................ 72 Figura 5.12 – Estrutura de pavimento para o mix de aeronaves do Aeroporo Internacional de Aracaju. .................................................................................................................................... 73 Figura 5.13 – Ábaco de dimensionamento de pavimento flexível para uma aeronave de roda dupla. ........................................................................................................................................ 74 Figura 5.14 – Estrutura de pavimento para do mix de aeronaves Aeroporto Regional de Paulo Afonso. ..................................................................................................................................... 75 Figura 5.15 – Primeiro dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília. .......................................................................................................... 77 Figura 5.16 – Segundo dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília. .......................................................................................................... 78 Figura 5.17 – Terceiro dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília. .......................................................................................................... 79 Figura 5.18 – Primeiro dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju. .......................................................................................................... 80 Figura 5.19 – Segundo dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju. .......................................................................................................... 81 Figura 5.20 – Terceiro dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju. .......................................................................................................... 82 Figura 5.21 – Primeiro dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso. ....................................................................................................... 83 Figura 5.22 – Segundo dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso. ....................................................................................................... 84 Figura 5.23 – Terceiro dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso. ....................................................................................................... 85
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Comparação entre pavimentos rodoviários e aeroportuários............................... 22 Tabela 2.2 – Código dos Pavimentos. ...................................................................................... 27 Tabela 2.3 – Valores de resistência do subleito para pavimentos rígidos. ............................... 27 Tabela 2.4 – Valores de resistência do subleito para pavimentos flexíveis. ............................ 28 Tabela 2.5 – Código de pressão de pneus................................................................................. 28 Tabela 2.6 – Código dos Pavimentos. ...................................................................................... 28 Tabela 2.7 – Classificação de pista de pouso e decolagem. ..................................................... 30 Tabela 2.8 – Classificação de pista de pouso e decolagem. ..................................................... 30 Tabela 2.9 – Dimensões da faixa de pista. ............................................................................... 31 Tabela 2.10 – Largura da pista de rolamento. .......................................................................... 33 Tabela 3.1 – Fatores de conversão de trem de pouso. .............................................................. 43 Tabela 3.2 – Espessuras de revestimento asfáltico. .................................................................. 44 Tabela 3.3 – Fatores de conversão para tráfego superior a 25.000 decolagens anuais. ........... 46 Tabela 3.4 – Fatores de equivalência para sub-base estabilizadas. .......................................... 46 Tabela 3.5 – Fatores de equivalência para base estabilizadas. ................................................. 47 Tabela 3.6 – Vida útil dos pavimentos de acordo com o valor do CDF................................... 47 Tabela 3.7 – Base estabilizada rígidas e flexíveis. ................................................................... 49 Tabela 3.8 – Espessura mínima para a camada de base. .......................................................... 52 Tabela 5.1 – Informações técnicas da projeção do mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília. .......................................................................................................... 59 Tabela 5.2 – Previsão para o número de decolagens do mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília. .......................................................................................................... 59 Tabela 5.3 – Informações técnicas da projeção do mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju. .......................................................................................................... 61 Tabela 5.4 – Previsão para o número de decolagens para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju. .......................................................................................................... 61 Tabela 5.5 – Informações técnicas da projeção do mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso. ...........................................................................................................................63 Tabela 5.6 – Previsão para o número de decolagens do mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso. ....................................................................................................... 63 Tabela 5.7 – Quadro resumo com os valores máximos da vida útil. ........................................ 67
Tabela 5.8 – Decolagens anuais da aeronave de projeto para o mix do Aeroporto Internacional de Brasília. ................................................................................................................................69 Tabela 5.9 – Decolagens anuais da aeronave de projeto para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju. .......................................................................................................... 71 Tabela 5.10 – Decolagens anuais da aeronave de projeto para o mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso . ...................................................................................... 73 Tabela 5.11 – O resumo das estruturas de pavimentos propostas pelo método empírico. ....... 75 Tabela 5.12 – O resumo das estruturas em centímetros do primeiro dimensionamento pelo FAARFIELD. ........................................................................................................................... 85 Tabela 5.13 – O resumo das estruturas em centímetros do segundo dimensionamento pelo FAARFIELD. ........................................................................................................................... 86 Tabela 5.14 – O resumo das estruturas em centímetros do terceiro dimensionamento pelo FAARFIELD. ........................................................................................................................... 86 Tabela 5.15 – Resumo das estruturas em centímetros pelos métodos empírico e mecanicista 87
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABPv
Associação Brasileira de Pavimentação
AC
Advisory Circular
(Circulares Normativas) ACI
Airports Council International
(Conselho Internacional de Aeroportos) ACN
Aircraft Classification Number
(Número de Classificação de Aeronave) ANAC
Agência Nacional de Aviação Civil
CBP
Comprimento Básico de Pista
CBR
California Bearing Ratio
(Índice de Suporte Califórnia) CBUQ
Concreto Betuminoso Usinado à Quente
CDF
Cumulative Damage Failure
(Fator Acumulativo de Danos) CR
Carregamento por Roda
CRP
Comprimento Real de Pista
DIRENG
Diretoria de Engenharia da Aeronáutica
DNER
Departamento Nacional de Estradas de Rodagem
DNIT
Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes
DRP
Declividade da Pista
ELAD
Elevação do Aeródromo
FAA
Federal Aviation Administration
(Agência Americana de Aviação Civil) FAARFIELD
Federal Aviation Administration Rigid and Flexible Iterative Elastic Layered Design
IAC
Instrução de Aviação Civil
IATA
International Air Transport Association
(Associação Internacional de Transportes Aéreos) ICAO
International Civil Aviation Organization
(Organização da Aviação Civil Internacional)
INFRAERO
Empresa Brasileira de Infraestrutura Aeroportuária
LEDFAA
Layered Elastic Design Federal Aviation Administration
MR
Módulo de Resiliência
NR
Número de Rodas
PCN
Pavement Condition Number
(Número de Classificação de Pavimento) PMD
Peso Máximo de Decolagem
RESA
Runway End Safety Area
(Área de Segurança de Fim de Pista) RWY
Runway
(Pista de Pousos e de Decolagens) SAC/PR
Secretária de Aviação Civil da Presidência da República
SL
Subleito
TPS
Terminal de Passageiros
TRA
Temperatura de Referência do Aeródromo
TTR
Tipo de Trem de Pouso
TWY
Taxiway
(Pista de Rolamento) USACE
United States Army Corps of Engineers
(Corpo de Engenheiros do Exército dos Estados Unidos)
SUMÁRIO 1 1.1
INTRODUÇÃO ................................................................................................... 16 Contexto e Justificativa ......................................................................................... 16
1.2
Problema de Pesquisa ............................................................................................ 18
1.3
Objetivos................................................................................................................ 18
1.3.1
Objetivo Geral ....................................................................................................... 18
1.3.2
Objetivos Específicos ............................................................................................ 18
1.4
Estrutura do Trabalho ............................................................................................ 19
1.4.1
Capítulo 1 - Introdução .......................................................................................... 19
1.4.2
Capítulo 2 – Pavimento Aeroportuário.................................................................. 19
1.4.3
Capítulo 3 – Dimensionamento do Pavimento Flexível Aeroportuário ................ 19
1.4.4
Capítulo 4 – Metodologia ...................................................................................... 20
1.4.5
Capítulo 6 – Análise Comparativa dos Métodos – Estudo de Caso ...................... 20
1.4.6
Capítulo 6 – Conclusões e Recomendações .......................................................... 20
2 2.1
PAVIMENTO AEROPORTUÁRIO ................................................................. 21 Definição ............................................................................................................... 21
2.2
Tipos de pavimento ............................................................................................... 21
2.3
Carregamentos ....................................................................................................... 22
2.4
Métodos de dimensionamento ............................................................................... 24
2.5
Tipos de ruptura ..................................................................................................... 25
2.6
Método ACN-PCN ................................................................................................ 25
2.6.1
Determinação do ACN .......................................................................................... 26
2.6.2
Determinação do PCN ........................................................................................... 26
A.
Valor numérico do PCN ...................................................................................... 26
B.
Tipo de pavimento ............................................................................................... 27
C.
Resistência do subleito......................................................................................... 27
D.
Pressão de pneus .................................................................................................. 28
E.
Método de avaliação. ........................................................................................... 28
F. 2.7
Exemplo de notificação de PCN ......................................................................... 28 Projeto Geométrico Aeroportuário ........................................................................ 29
2.7.1
Pista de pouso e decolagem ................................................................................... 29
2.7.2
Acostamentos......................................................................................................... 30
2.7.3
Zona de parada (Stopway) ..................................................................................... 31
2.7.4
Zona desimpedida (Clearway) ............................................................................... 31
2.7.5
Faixa de pista e faixa preparada ............................................................................ 31
2.7.6
Área de segurança de fim de pista (Runway End Safety Area – RESA) .............. 32
2.7.7
Pátio de aeronaves (Aprons) .................................................................................. 32
2.7.8
Pista de Rolamento (Taxiway) .............................................................................. 32
2.8
Método CBR para pavimentos flexíveis ................................................................ 33
2.8.1
Origem e desenvolvimento .................................................................................... 33
2.8.2
Expansão do método na Segunda Guerra Mundial ............................................... 34
2.8.3
Ensaio CBR ........................................................................................................... 37
2.9
Módulo de Resiliência ........................................................................................... 38
3 3.1
DIMENSIONAMENTO DO PAVIMENTO AEROPOTUÁRIO................... 40 Federal Administration Aviation (FAA) ............................................................... 40
3.2
Método Empírico ................................................................................................... 41
3.2.1
Determinação do mix de aeronaves e da aeronave de projeto ............................... 42
3.2.2
Agrupamento do tráfego previsto em termos de trem de pouso ............................ 43
3.2.3
Obtenção do número equivalente de decolagens anuais da aeronave de projeto .. 43
3.2.4
Determinação da espessura total do pavimento ..................................................... 44
3.2.5
Fatores de equivalência de base e sub-base estabilizadas ..................................... 46
3.3
Método Mecanicista .............................................................................................. 47
4
METODOLOGIA................................................................................................ 55
5 5.1
ANÁLISE COMPARATIVA DOS MÉTODOS – ESTUDO DE CASO ........ 56 Aeroporto Internacional Pinto Martins .................................................................. 56
5.2
Previsão de tráfego de aeronaves........................................................................... 58
5.3
Verificação da vida útil da estrutura da pista de pouso e decolagem .................... 64
5.4
Dimensionamento da estrutura de pavimento flexível .......................................... 67
5.4.1
Método empírico.................................................................................................... 68
5.4.2
Método mecanicista ............................................................................................... 75
5.5
Análise do resumo dos resultados dos métodos .................................................... 86
6
CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES ........................................................... 89
6.1
Conclusões............................................................................................................. 89
6.2
Recomendações ..................................................................................................... 90
REFERÊNCIAS BIBLIOGÁFICAS ................................................................. 91
16
1
INTRODUÇÃO
1.1
Contexto e Justificativa O Brasil é o quinto maior país em área territorial e o sexto em população do
planeta, e apresenta uma malha rodoviária mal conservada, ferrovias inexistentes ou escassas e uma rede fluvial de baixa utilização; predispõe o transporte aéreo a ser considerada uma alternativa relevante de mobilidade e, às vezes, única de acesso a determinadas regiões. O Brasil encontra-se em um ciclo de desenvolvimento econômico e social e com uma previsão de continuidade. No entanto, esse crescimento realça os gargalos existentes na infraestrutura do país e, em especial, no setor de transportes aéreos. Segundo ALVES (2012), o transporte aéreo no Brasil é gerenciado através do Ministério da Defesa (Comando da Aeronáutica) que tem como uma de suas finalidades apoiar, controlar e desenvolver a aviação civil brasileira. A Agência Nacional da Aviação Civil (ANAC) é o órgão regulamentador e fiscalizador do sistema. Em consonância com essas organizações, a partir da década de setenta, a administração aeroportuária foi atribuída a uma empresa de economia mista, a Empresa Brasileira de Infraestrutura Aeroportuária (INFRAERO), vinculada à Secretaria de Aviação Civil. Segundo INFRAERO (2013a), ela é responsável por administrar os principais aeroportos do país. No total, são 63 aeroportos que movimentam anualmente cerca de 178,8 milhões de passageiros, equivalendo a 2,88 milhões de pousos e decolagens ou 97% do movimento do transporte aéreo brasileiro. No mundo, as seguintes associações ditam as normas e as regulamentações nas quais o Brasil se orienta: a)
ICAO – International Civil Aviation Organization, com sede em Montreal, congrega mais de 150 países, com os quais se discutem, determinam e/ou recomendam direitos e deveres de seus membros, padronizando as operações do transporte aéreo internacional;
b)
IATA – International Air Transport Association reúne companhias aéreas de quase todo o mundo, definem tarifas e condições de serviço para os transportadores;
c)
ACI – Airports Council International reúne as principais empresas administradoras de aeroportos. A INFRAERO é a representante brasileira;
17
d)
FAA – Federal Aviation Administration, órgão regulamentador norteamericano, cujos padrões são reconhecidos internacionalmente.
Nas últimas décadas, viu-se um crescimento do número de viagens aéreas, tanto as nacionais como as internacionais. Embora vários setores da economia tenham sofrido com a crise econômica internacional de 2009, o setor de transporte aéreo aumentou o número de passageiros transportados. Segundo a IATA (2013), o tráfego aéreo de passageiros no mundo registrou um crescimento de 4,6% em novembro 2012 em comparação ao mesmo período do ano de 2011. Esse fenômeno é consequência da queda dos valores das passagens, maior concorrência de empresas no mercado, desenvolvimento de aeronaves com maior capacidade de transporte, fortalecimento do mercado interno brasileiro, entre outros fatores. Com a realização de eventos internacionais como a Copa do Mundo de 2014 e os Jogos Olímpicos de 2016, o setor terá inúmeras oportunidades de crescimento. Os fatores intervenientes ao progresso da infraestrutura aeroportuária foram analisados por IPEA (2010). Um ponto positivo dessa análise é a apresentação do levantamento do crescimento da aviação regional brasileira, causada, principalmente, pelo desenvolvimento econômico das cidades médias e os centros regionais do País. Conta ainda com a colaboração das dimensões territoriais brasileiras por ser capaz de encurtar essas distâncias continentais. O Governo Federal por intermédio da Secretária de Aviação Civil da Presidência da República (SAC/PR) anunciou um pacote de investimentos em que os principais objetivos são a melhoria da qualidade dos serviços e da infraestrutura para os usuários, a ampliação da oferta de transporte aéreo para a população e a reconstrução da aviação civil regional (SAC/PR, 2012). Dentro do pacote de medidas que visa o fortalecimento e ampliação da aviação civil regional, o governo federal, segundo a SAC/PR (2012) investirá 7,3 bilhões de reais em um primeiro momento contemplando 270 aeroportos regionais. No nordeste brasileiro serão investidos 2,1 bilhões de reais e o Ceará será contemplado com nove aeroportos. Com a realização desse plano, o governo espera que 96% da população esteja localizada a uma distancia de, pelo menos, 100km de um aeroporto apto a receber voos regulares. A SAC/PR afirma ainda que uma das fases do plano de investimentos é o diagnóstico da infraestrutura e da gestão dos aeródromos. Em relação a infraestrutura, aeroporto, segundo HORONJEFF & MCKELVEY (2010), pode ser divido em dois lados:
18
Ar e Terra. O Lado Terra compreende as Vias de Acesso e o Terminal de Passageiros (TPS), já o lado Ar compreende o Pátio de Estacionamento de Aeronaves ( aprons), Pista de Taxi (taxiway) e a Pista de Pouso e Decolagem (runway). As runways, as taxiways e os aprons são de fundamental importância para o funcionamento do complexo aeroportuário, pois, estas constituem as áreas pavimentadas destinadas ao tráfego das aeronaves. Para o dimensionamento de pavimentos aeroportuários é utilizado a metodologia americana da FAA, devido à ausência de uma metodologia brasileira. A FAA dispõe de um método de cálculo que sofreu algumas alterações durante os anos, pois sua base de cálculo era realizada de modo manual, por meio de ábacos, e nos dias atuais é realizado com um auxilio de uma ferramenta computacional denominada Federal Aviation Administration Rigid and Flexible Iterative Elastic Layered Design (FAARFIELD).
1.2
Problema de Pesquisa Apesar de o método de dimensionamento de pavimentos aeroportuários da
Federal Aviation Administration (FAA)
ter sido aperfeiçoado ao longo dos anos, com a
utilização do software FAARFIELD, nota-se a ausência de uma investigação científica pormenorizada sobre os resultados obtidos no dimensionamento com a utilização dos métodos mecanicista e empírico, aplicados à realidade brasileira.
1.3
Objetivos
1.3.1 Objetivo Geral O objetivo geral desta pesquisa é realizar uma análise comparativa de resultados de dimensionamento de pavimentos flexíveis aeroportuários baseados nos métodos mecanicista e empírico da Federal Aviation Administration (FAA).
1.3.2 Objetivos Específicos Como objetivos específicos podem ser ressaltados: a)
Descrever a metodologia de dimensionamento utilizada em cada método;
b)
Investigar
os
principais
parâmetros
utilizados
nos
métodos
dimensionamento; c)
Apresentar as principais modificações ocorridas entre os métodos;
de
19
d)
Verificar a contribuição das aeronaves de projeto no dimensionamento;
e)
Avaliar as influências do comportamento mecânico dos materiais utilizados nas camadas constituintes dos pavimentos aeroportuários.
1.4
Estrutura do Trabalho
1.4.1 Capítulo 1 - Introdução O capítulo introdutório apresenta o tema da pesquisa, sua importância e sua justificativa. Traz também os objetivos geral e específicos, a metodologia, o problema de pesquisa e a estrutura do trabalho.
1.4.2 Capítulo 2 – Pavimento Aeroportuário O capítulo 2 visa abordar os seguintes temas: pavimentos aeroportuários, projeto geométrico de aeroportos e, por último, uma apresentação dos métodos de determinação do valor de California Bearing Ratio (CBR) e do Módulo de Resiliência, parâmetros essenciais para o dimensionamento. Ao descrever sobre os pavimentos aeroportuários objetiva-se mostrar as definições básicas dos pavimentos, o método para determinação da resistência de pavimentos aeroportuários e propor uma comparação entre o pavimento rodoviário e o aeroportuário. O tema projeto geométrico de uma pista de pouso de decolagem tem o objetivo de apresentar os fatores condicionantes e os principais critérios de dimensionamento funcional e operacional de uma pista. Por fim, o capítulo tem objetivo de apresentar um histórico, o desenvolvimento e a norma que regulamenta o método CBR, além de explicar a importância desse método para as metodologias de dimensionamento do pavimento flexível, como, também, apresentar correlações para se determinar o valor do módulo de resiliência a partir de ensaios convencionais, como fundamento para um adequado dimensionamento das camadas.
1.4.3 Capítulo 3 – Dimensionamento do Pavimento Flexível Aeroportuário O capítulo 3 tem o objetivo de apresentar e descrever os métodos de dimensionamento empírico e mecanicista para pavimentos flexíveis desenvolvidos pela FAA.
20
1.4.4 Capítulo 4 – Metodologia O Capítulo 4 visa apresentar à metodologia de análise das verificações e os redimensionamentos realizados na estrutura de pavimento do Aeroporto Internacional de Fortaleza pelos métodos empírico e mecanicista da FAA .
1.4.5 Capítulo 6 – Análise Comparativa dos Métodos – Estudo de Caso O Capítulo 5 tem o objetivo de realizar verificações da vida útil e o redimensionamento da seção de pavimento flexível do Aeroporto Internacional de Fortaleza levando em conta a contribuição dos mix de aeronaves do Aeroporto Internacional Juscelino Kubitschek em Brasília, do Aeroporto Internacional Santa Maria em Aracaju e do Aeroporto Regional de Paulo Afonso no estado da Bahia.
1.4.6 Capítulo 6 – Conclusões e Recomendações O capítulo 6 apresenta conclusões obtidas ao longo do desenvolvimento deste estudo e das análises dos métodos de dimensionamento da FAA, assim como recomendações que servirão para auxiliar o processo de dimensionamento de pavimentos flexíveis aeroportuários.
21
2
PAVIMENTO AEROPORTUÁRIO
2.1
Definição Segundo BALBO (2007), o pavimento é uma estrutura composta por camadas
compactadas de diferentes materiais a partir do subleito, com a finalidade de suportar estruturalmente e operacionalmente ao tráfego previsto para o período de projeto com o mínimo custo possível. A estrutura do pavimento tem a finalidade de resistir aos esforços verticais e horizontais previstos e distribuí-los, tornando a superfície de rolamento mais durável, além de melhorar as condições de rolamento quanto ao conforto e segurança. O pavimento, ainda para BALBO (2007) é constituído pelas seguintes camadas: revestimento, base, sub-base, reforço do subleito e subleito. As condições mínimas para que uma estrutura seja denominada de pavimento são que apresente um revestimento e um subleito. Portanto, nem todo pavimento possui camada de base ou de reforço.
2.2
Tipos de pavimento Segundo o DNIT (2006), os pavimentos são classificados em flexíveis,
semirrígidos e rígidos. Os flexíveis são os que sofrem deformações elásticas sob o carregamento aplicado. Os semirrígidos são caracterizados pela utilização de uma base cimentada por algum aglutinante com propriedades cimentícias. Os rígidos são caracterizados por um revestimento com elevada rigidez que absorve praticamente todas as tensões provenientes do carregamento aplicado. Segundo SENÇO (2007), a maior dificuldade em adotar essa classificação está na liberdade de executar camadas rígidas e flexíveis em uma mesma estrutura de pavimento. Do ponto de vista funcional, os pavimentos se classificam em: rodoviários e aeroportuários. Segundo SILVEIRA (1982), os princípios fundamentais utilizados para uma análise comparativa são os mesmos, no entanto, os valores a serem considerados por esses princípios e a preponderância com que atuam os tornam diferentes. O peso dos aviões é superior ao peso dos veículos pesados rodoviários, porém este acarreta um maior desgaste ao pavimento das rodovias. Em contrapartida, o número de solicitações em um aeroporto é inferior ao rodoviário e, a pressão dos pneus também é superior, mas as cargas nas rodovias são aplicadas nos bordos do pavimento. Nesse sentido
22
MEDINA & MOTTA (2005) apresentam um resumo das principais características dos pavimentos rodoviários e aeroportuários, conforme apresentado na Tabela 2.1. Tabela 2.1 – Comparação entre pavimentos rodoviários e aeroportuários. Características Rodovias Aeródromos Largura da Pista 7 m a 10 m 20 m a 50 m Comprimento Vários km Até 3.000 m 100 tf ou mais por trem de 10 tf/eixo, veículo 40 tf Cargas pouso principal, aviões de máxima. até 400 tf. Pequena, de 50 a 100/dia, Frequência de Repetições de 2.000/dia, vários milhões na menos de 100.000 na vida Cargas vida de serviço. de serviço. 1,5 a 6 kgf/cm2 (0,15 a 0,60 Pressão nos Pneus 10 a 30 kgf/cm2 (1 a 3 MPa) MPa) Distância de Drenagem Pequena (3 m) Grande (10 m a 50 m) Grande no pouso, porém Impacto de Veículo no Pequeno minorada pelo Pavimento amortecimento. Importante quando no acionamento dos motores, Não é relevante nas ruas, Ação de Frenagem com as rodas do trem de mas, sim, nos cruzamentos. pouso travadas antes da decolagem. Fonte: MEDINA & MOTTA (2005). Apesar de suas análises serem conduzidas de formas semelhantes, o que pode ser considerado como uma situação crítica para um pavimento rodoviário, pode não ter a mesma denotação para um pavimento aeroportuário.
2.3
Carregamentos Conforme BALBO (2007), as cargas devem ser transmitidas ao subleito
impedindo formação de deformações ou rupturas, que ocasionem a degradação acelerada e prematura na estrutura do pavimento. Enquanto que em um pavimento flexível o carregamento impõe à estrutura um campo de tensões concentrado nas proximidades do ponto de aplicação da carga (Figura 2.1), em um pavimento rígido o campo de tensões é mais disperso e de maneira semelhante em toda a placa, ou seja, o pavimento rígido impõem pressões inferiores ao subleito (Figura 2.2).
23
Figura 2.1 – Resposta mecânica de pavimento flexível: pressões concentradas.
Fonte: BALBO (2007). Figura 2.2 – Resposta mecânica de pavimento rígido: pressões concentradas.
Fonte: BALBO (2007). Os carregamentos transmitidos aos pavimentos são realizados através das rodas dos veículos, definido como carga de roda. Elas podem ser agrupadas de várias maneiras, originando várias configurações. Diferente dos pavimentos rodoviários existe uma maior variedade nessa configuração para pavimentos aeroportuários, devido aos vários tipos de trens de pouso das aeronaves. Para projeto de pavimentos aeroportuários, a FAA (1978) determina que seja utilizado o peso máximo de decolagem e que 95% do peso bruto seja transmitido ao solo pelo trem de pouso principal da aeronave. Na Figura 2.3 é apresentada a geometria de trens de pousos principais mais usuais das aeronaves.
24
Figura 2.3 – Configuração dos trens de pousos das aeronaves.
Fonte: Adaptado HORONJEFF (2010).
2.4
Métodos de dimensionamento Segundo BALBO (2007) e SENÇO (2007), dimensionar um pavimento
significa determinar as espessuras e os tipos de cada material que compõem a estrutura do pavimento, fazendo com que essas camadas sejam capazes de resistir e distribuir as pressões ao subleito, sem que a estrutura sofra rupturas, deformações e desgastes excessivos, ou seja, que a estrutura apresente um desempenho desejável para seu período de projeto. Os métodos de dimensionamento podem ser divididos em: método empírico, semiempírico e empírico-mecanicista. Para BALBO (2007), o método empírico é o resultado de uma modelagem estatística a partir de parâmetros físicos observados nos pavimentos em serviço. O método semiempírico é uma extrapolação dos resultados empíricos por meio de uma teoria analítica. O método empírico-mecanicista é a calibração de modelos teóricos com uma base de dados obtidos em campo e em laboratório. BALBO (2007) afirma que cada método apresenta vantagens e desvantagens peculiares aos parâmetros de entrada de dados utilizados. Assim, não é possível confirmar a existência de um método totalmente válido ou completamente satisfatório.
25
2.5
Tipos de ruptura Para BALBO (2007), a principal razão para as divergências entre os métodos
de dimensionamento está associada ao desconhecimento de como efetivamente se constitui a ruptura de um pavimento. Em pavimentos costuma-se caracterizar dois tipos de ruptura: ruptura estrutural ou plástica e ruptura funcional ou operacional. Para SILVEIRA (1982), a ruptura estrutural é o colapso ou quebra estrutural do pavimento ou de qualquer parte do pavimento. A ruptura funcional acompanha ou não a ruptura estrutural, ela torna o pavimento inoperante em termos de conforto e segurança ao rolamento. Ainda segundo SILVEIRA (1982), os critérios de avaliação do comportamento dos pavimentos baseiam-se em aspectos funcionais, no entanto são obtidos a partir da opinião de um avaliador. Resultando que a avaliação do estado de um pavimento depende de um critério subjetivo. SILVEIRA (1982), afirma que as principais causas das rupturas podem ser agrupadas em quatro categorias: a)
Sobrecargas, oriundas tanto do excesso de peso quanto de pressões de pneus ou número de repetições de carga;
b)
Condições climáticas e ambientais adversas não consideradas na fase de projeto;
2.6
c)
Defeitos construtivos;
d)
Falta de manutenção ou manutenção inadequada.
Método ACN-PCN Segundo a ANAC (2008), o Método ACN-PCN, do inglês “ Aircraft
Classification Number ” e “Pavement Classification Number ”,
surgiu em 1977, formulado
por um grupo de estudo da Organização de Aviação Civil Internacional (ICAO) com a finalidade de elaborar um método simples para registros de resistência de pavimentos. Enquanto o ACN é um número que exprime o efeito relativo de uma aeronave sobre um pavimento, para determinada resistência de subleito, o PCN é o número que indica a resistência de um pavimento para operações sem restrições. O sistema ACN-PCN tem por objetivo determinar que um pavimento com um determinado valor de PCN seja capaz de suportar, sem restrições, uma aeronave que tenha
26
um valor de ACN inferior ou igual ao valor do PCN do pavimento, obedecidas as limitações relativas à pressão dos pneus.
2.6.1 Determinação do ACN Segundo a ANAC (2008), são utilizados no método de determinação do ACN dois modelos matemáticos: a)
Para pavimentos rígidos é usada a solução de Westergaard , baseada em uma placa elástica carregada sobre uma sub-base de Winkler (caso de carga interior), assumindo uma tensão de trabalho para o concreto de 2,75 MPa.
b)
Para pavimentos flexíveis é empregado o método do índice de suporte Califórnia (CBR), que emprega a solução de Boussinesq, baseada nos esforços e deslocamentos em um semiespaço isotrópico e homogêneo. O ACN é definido numericamente como o dobro da carga de roda simples com
pressão normalizada de 1,25 MPa (expressa em milhares de quilogramas). Para facilitar a determinação do ACN, a Agência Americana de Aviação Civil (FAA) desenvolveu o software COMFAA que calcula os valores de ACN a partir das especificações da ICAO. Apesar de esse software ser útil na determinação do ACN, cabe à fabricante fornecer os valores oficiais de ACN das aeronaves.
2.6.2 Determinação do PCN O valor numérico do PCN pode ser determinado por dois métodos: experimental e de avaliação técnica. Segundo a ANAC (2008), o método experimental é obtido através da analise de todos os ACN das aeronaves que operam na pista de pousos e decolagens e o maior desses é notificado como sendo o valor de PCN. O método de avaliação técnica é obtido a partir de uma avaliação do tráfego equivalente naquela pista e o valor numérico do PCN é encontrado com a obtenção da carga bruta admissível que o pavimento suporta. Segundo a ANAC (2008), o PCN de um pavimento é notificado através de um código que utiliza cinco elementos, a saber: A.
Valor numérico do PCN Segundo a ANAC (2008), o valor numérico do PCN refere-se à resistência de
27
um pavimento em termos de uma carga de roda simples padrão e a uma pressão de pneu normalizada. Os parâmetros do método como a pressão de pneu (1,25 MPa), a tensão de trabalho no concreto para pavimentos rígidos (2,75 MPa) e quatro categorias de resistência de subleito (alta, média, baixa e ultrabaixa) são normalizados. O valor do PCN é sempre um número inteiro, por isso, no caso de frações é realizado o arredondamento para o inteiro mais próximo. Para pavimentos de resistência variável, o valor numérico de PCN a ser notificado deve ser o menor valor encontrado. B.
Tipo de pavimento Segundo a ANAC (2008), o método considera dois tipos de pavimentos:
flexíveis e rígidos. A Tabela 2.2 apresenta os códigos para cada tipo de pavimento. Para pavimentos complexos formados de diferentes combinações de tipos de pavimentos e que se classificam entre um pavimento flexível e um pavimento rígido devem ser codificados como pavimento flexível e seu PCN deve apresentar uma observação. Tabela 2.2 – Código dos Pavimentos. Tipos de Pavimento Flexível Rígido Fonte: ANAC (2009). C.
Código do Pavimento F R
Resistência do subleito Segundo a ANAC (2008), o método adota quatro categorias de resistência de
subleito para cada tipo de pavimento, sendo utilizado um valor normalizado para cada categoria, conforme apresentado na Tabela 2.3 para pavimentos rígidos e na Tabela 2.4 para pavimentos flexíveis. Tabela 2.3 – Valores de resistência do subleito para pavimentos rígidos. Categoria do Resistência do Resistência do subleito subleito subleito k (MN/m3) normalizada k (MN/m3) Alta 150 Média 80 Baixa 40 Ultrabaixa 20 Fonte: ANAC (2008).
k ≥ 120 60 < < 120 25 < ≤ 60 k ≤ 25
Código A B C D
28
Tabela 2.4 – Valores de resistência do subleito para pavimentos flexíveis. Categoria do Resistência do Resistência do subleito subleito subleito CBR normalizada CBR Alta 150 Média 80 Baixa 40 Ultrabaixa 20 Fonte: ANAC (2008).
CBR ≥ 13 8 < < 13 4 < ≤ 8 CBR ≤ 4
D.
Código A B C D
Pressão de pneus O sistema PCN utiliza quatro categorias para notificação da pressão admissível
de pneus, apresentados na Tabela 2.5. Tabela 2.5 – Código de pressão de pneus. Categoria Código Pressão máxima permitida de pneus (MPa) Alta W Sem limites Média X Limitada a 1,5 MPa Baixa Y Limitada a 1,0 MPa Ultrabaixa Z Limitada a 0,5 MPa Fonte: ANAC (2008). Segundo a ANAC (2008), os pavimentos rígidos são capazes de absorver altas pressões de pneus, sendo classificados normalmente com o código W. Entretanto, em pavimentos flexíveis, as pressões de pneus devem ser restringidas, dependendo da qualidade da mistura asfáltica e de condições climáticas. E.
Método de avaliação. Como já foi dito, o sistema PCN reconhece dois métodos de avaliação de
pavimento. Se for uma avaliação por um estudo técnico, o método de avaliação deve ser codificado com a letra “T”. Caso seja uma avaliação a partir da experiência com aeronaves que operam no pavimento, o método de avaliação deve ser codificado com a letra “U”. A Tabela 2.6 apresenta os códigos para cada tipo de avaliação. Tabela 2.6 – Código dos Pavimentos. Tipos de Avaliação Técnico Experiência Fonte: Adaptado ANAC (2008). F.
Código T U
Exemplo de notificação de PCN Supondo que a resistência à compressão de um pavimento flexível, sobre um
29
subleito de resistência baixa, tiver sido avaliada pelo método teórico como sendo PCN 70, e não houver limite de pressão, então a informação a ser prestada deverá ser: PCN 70 / F / C / W / T.
2.7
Projeto Geométrico Aeroportuário
2.7.1 Pista de pouso e decolagem As pistas de pousos e decolagens devem ser dimensionadas tanto em seu comprimento como em largura para atender as exigências impostas para as operações de diversos tipos de aeronaves e com segurança nas diversas condições meteorológicas. Segundo HORONJEFF (1966), a determinação do comprimento de uma pista é a principal decisão a ser tomada em um planejamento da área de pouso ou Lado de Ar de um aeroporto. O comprimento depende da aeronave crítica que irá operar nessa pista e das condições físicas do local. As pistas de pouso e decolagem apresentam um Comprimento Básico de Pista (CBP) e um Comprimento Real de Pista (CRP). Segundo ANAC (2009), o CBP é o comprimento mínimo de pista necessário para a decolagem de uma aeronave com peso máximo de decolagem ao nível do mar, em condições atmosféricas normais, ar parado e declividade nula de pista. Para ALVES (2012), o CRP corresponde ao CBP com as correções na temperatura, altitude, vento e declividades locais da pista. De forma simplificada, os fatores citados correspondem à correção aproximada de: a)
1% para cada grau de temperatura de referência (média mensal das temperaturas máximas diárias do mês mais quente do ano) acima da temperatura padrão;
b)
7% para cada 300 m acima do nível do mar;
c)
10% sobre a declividade longitudinal efetiva (razão entre a diferença da cota máxima e conta mínima pelo seu comprimento), em percentual. As aeronaves apresentam em seus manuais valores de CBP, portanto a
determinação CRP é realizada com o auxilio da Equação 2.1. Assim,
∙ + 1 ∙ !"# 15 # 6,5∙ % ∙ 0,01 + 1& ∙ ' ∙ 0,1+ 1( = ∙ 0,07300 1$000 Onde:
'2$1(
30
CBP = Comprimento Básico da Pista; CRP = Comprimento Real da Pista; ELAD = Elevação do Aeródromo; TRA = Temperatura de Referência do Aeródromo; DRP = Declividade da pista. A ANAC (2009) apresenta uma classificação alfanumérica de acordo com o comprimento básico de pista, como pode ser observado na Tabela 2.7, e de acordo com as dimensões da aeronave crítica que irá operar nessa pista, como pode ser observado na Tabela 2.8. Tabela 2.7 – Classificação de pista de pouso e decolagem.
Número do Código 1 2 3 4 Fonte: Adaptado ANAC (2009).
Comprimento Básico de Pista < 800 m ≥ 800 m e < 1.200 m ≥ 1.200 m e < 1.800 m ≥ 1.800 m
Tabela 2.8 – Classificação de pista de pouso e decolagem. Letra do Distancia entre as rodas externas do trem de pouso Envergadura Código principal A < 15 m < 4,5 m B ≥ 15 m e < 24 m ≥ 4,5 m e < 6,0 m ≥ 24 m e < 36 m ≥ 6,0 m e < 9,0 m C ≥ 36 m e < 52 m ≥ 9,0 m e < 14,0 m D E ≥ 52 m e < 65 m ≥ 9,0 m e < 14,0 m ≥ 65 m e < 80 m ≥ 14,0 m e < 16,0 m F Fonte: Adaptado ANAC (2009).
2.7.2 Acostamentos Segundo ALVES (2012), os acostamentos são uma superfície tratada, localizada nas laterais da pista e que têm as seguintes funções: resistir a uma eventual passagem de uma aeronave caso ela venha a sair da pista; evitar danos nas turbinas impedindo a ingestão de partículas sólidas; e suporte aos veículos de apoio que venham a operar nos acostamentos. Os acostamentos devem ser implantados, conforme especificações da ANAC (2009), onde a pista de pousos e decolagens seja classificada como D, E ou F e largura inferior a 60m. É recomendado, também, que eles sejam simétricos em cada lado da pista e que a largura total da pista não seja inferior a 60m.
31
2.7.3 Zona de parada (Stopway) Segundo ALVES (2012), zona de parada é um prolongamento da pista de pouso e decolagem para garantir a completa desaceleração quando uma aeronave abortar sua decolagem, mas, geralmente, com uma redução da sua estrutura em relação à estrutura da pista de pousos e decolagens. A ANAC (2009) recomenda que a superfície da zona de parada deva ser construída oferecendo um coeficiente de atrito compatível com o da pista de pousos e decolagens quando esta estiver molhada.
2.7.4 Zona desimpedida (Clearway) Segundo a ANAC (2009), a zona desimpedida é uma área retangular, em solo ou na água, selecionada ou preparada para garantir a decolagem de uma aeronave. Sua origem deve coincidir com a cabeceira da pista, seu comprimento não pode exceder metade do comprimento da pista e deve estender-se, no mínimo, 75m para cada lado a partir do eixo da pista.
2.7.5 Faixa de pista e faixa preparada A faixa de pista, segundo a ANAC (2009), é uma área que inclui a pista de pousos e decolagens e as zonas de parada, caso disponível, com o objetivo de proteger a aeronave de danos estruturais durante a operação de pouso e decolagem, em eventuais casos que ela precise sair dos limites da pista. Para a ANAC (2009), o comprimento da faixa de pista deve iniciar-se antes da cabeceira e após o fim da pista, e a largura deve estender-se lateralmente para cada lado do eixo da pista. Essas dimensões são variáveis em função do número de código da pista, conforme pode ser observado na Tabela 2.9. Tabela 2.9 – Dimensões da faixa de pista.
Classe do Aeroporto Operação Visual Operação Instrumentos Dimensões Número de Código Número de Código 1 2 3 ou 4 1 ou 2 3 ou 4 Comprimento 30,0 m 60,0 m 60,0 m 60,0 m 60,0 m Largura 30,0 m 40,0 m 75,0 m 75,0 m 150,0 m Fonte: Adaptado ANAC (2009). A faixa preparada é uma porção da faixa de pista que deve ser terraplenada,
32
haja vista que nem toda a faixa de pista precisa ser terraplenada, é concebida para proteger a aeronave de danos estruturais durante a operação de pouso e decolagem, em eventuais casos que ela precise sair dos limites da pista (ANAC, 2009).
2.7.6 Área de segurança de fim de pista (Runway End Safety Area – RESA) Segundo a ANAC (2009), a RESA é uma área localizada ao longo da pista de pousos e decolagens e adjacente a faixa de pista que tem o objetivo de reduzir o risco de dano na aeronave que realize o toque antes da cabeceira, ou que ultrapasse o fim da pista durante as operações de pousos ou decolagens. A ANAC (2009) recomenda que a RESA deva ser projetada para as novas pistas com número de código 3 ou 4 e número de código 1 ou 2 quando a pista for do tipo por instrumento. A RESA deve estender-se a partir do final da faixa de pista de, no mínimo, 90 metros e a largura mínima deve ser o dobro da largura da pista de pouso e decolagem.
2.7.7 Pátio de aeronaves (Aprons) Segundo a ANAC (2009), os pátios de aeronaves são áreas com a finalidade de acomodar as aeronaves para fins de embarque e desembarque de passageiros, carregamento ou descarregamento de cargas, reabastecimento, estacionamento ou manutenção sem interferir no tráfego do aeroporto. A ANAC (2009) recomenda que todo o pátio seja capaz de suportar o tráfego de aeronaves previsto, considerando o fato que algumas posições estejam propícias a uma maior densidade e tráfego.
2.7.8 Pista de Rolamento (Taxiway) As pistas de rolamento são estabelecidas para o táxiamento de aeronaves de forma rápida e segura com o objetivo de fazer a ligação entre as partes do aeroporto. Elas devem ser projetadas para garantir o fluxo contínuo de aeronaves entre pátio e a pista de pousos e decolagens (ANAC, 2009). As larguras para a pista de rolamento são apresentadas na Tabela 2.10.
33
Tabela 2.10 – Largura da pista de rolamento. Letra Código Largura da Pista de Rolamento A 7,50 m B 10,50 m 15 m, se a pista de rolamento for prevista para aviões com base de rodas inferior a 18 m C 18 m, se a pista de rolamento for prevista para aviões com base de rodas superior a 18 m 18 m, se a pista de rolamento for prevista para aviões cuja distância entre as rodas do trem de pouso principal seja inferior a 9 m D 23 m, se a pista de rolamento for prevista para aviões cuja distância entre as rodas do trem de pouso principal seja igual ou superior a 9 m E 23,00 m F 25,00 m Fonte: Adaptado ANAC (2009).
2.8
Método CBR para pavimentos flexíveis
2.8.1 Origem e desenvolvimento Para BALBO (2007), o ensaio de CBR foi o primeiro método empírico destinado ao dimensionamento de pavimentos flexíveis, surgido a partir de um considerável número de avaliações experimentais e laboratoriais. Segundo SILVEIRA (1982), o método surgiu a partir de estudos do Departamento de Estradas da Califórnia, nos Estados Unidos, no período de 1928 e 1929, estendendo-se até o ano de 1938 quando foi sistematizado por J. O. Porter. Os primeiros estudos foram relativos ao estado de compactação dos subleitos, originando, assim, o ensaio de compactação dinâmica e o ensaio de CBR, com o intuito de verificar o desempenho dos materiais utilizados nos pavimentos. A sigla CBR é reconhecida internacionalmente, derivando-se de California Bearing Ratio,
no entanto alguns autores e estudos preferem a tradução Índice de Suporte
Califórnia com a sigla ISC. BALBO (2007) afirma que, embora a concepção do ensaio seja baseada em uma modelagem empírica, ele é um parâmetro normativo para dimensionamento de pavimentos asfálticos, como é o caso do método do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes – DNIT (extinto DNER). A partir dos trabalhos de Porter, surgiu a primeira curva relacionando a espessuras do pavimento com o CBR do subleito, ver Figura 2.4. BALBO (2007) afirma ainda que a espessura encontrada era capaz de proteger as camadas de materiais nobres contra os efeitos das deformações cisalhantes plásticas sob
34
a ação do carregamento. Segundo BALBO (2007), a curva da Figura 2.4 não aborda a questão do efeito gerado pela repetição das cargas, ou seja, as deformações permanentes. Trata-se, portanto, de uma relação empírica entre o CBR do subleito e a espessura do material granular sobre este, fazendo uma separação entre as combinações que obtiveram sucesso e insucesso nos estudos realizados nas rodovias do estado da Califórnia. Para SILVEIRA (1982), a curva da Figura 2.4, representa uma linha que separa os comportamentos dos pavimentos bons e ruins de acordo com as condições de trafegabilidade da época das observações na década de 30. Figura 2.4 – Curva de dimensionamento de espessuras de pavimentos flexíveis.
Fonte: BALBO (2007).
2.8.2 Expansão do método na Segunda Guerra Mundial Segundo HORONJEFF (1966), com o início da guerra foi necessário a construção de aeroportos militares, no entanto não existia nenhum método que auxiliasse no dimensionamento da pista de pouso. Assim, o Corpo de Engenheiros do Exército Americano (USACE) ficou responsável por realizar uma avaliação em todos os métodos existentes com o intuito de encontrar o que melhor se adaptasse para o caso dos pavimentos aeroportuários. Os critérios de seleção foram: simplicidade dos ensaios do subleito e dos materiais componentes; um acervo de experiência satisfatória; possibilidade de adaptação a um curto período para a realidade aeroportuária. HORONJEFF (1966) afirma que o método do CBR foi escolhido em caráter experimental, pois permitia ao projetista determinar as espessuras para a sub-base, base e
35
revestimento. Para BALBO (2007), a consolidação do método do CBR como método de dimensionamento de pavimentos flexíveis foi no período da segunda guerra mundial. A adaptação do método do CBR aos pavimentos aeroportuários, para HORONJEFF (1966), foi o resultado de testes realizados entre 1928 e 1942 em pavimentos satisfatórios ou não, na qual forneceram informações para a construção de uma relação empírica entre os valores do CBR e as espessuras, como pode ser observado na Figura 2.5. Figura 2.5 – Curva A e B para dimensionamento de pavimentos.
Fonte: BALBO (2007). HORONJEFF (1966), afirma ainda que a curva B da Figura 2.5 representa a espessura mínima para um pavimento com tráfego leve e a curva A representa a espessura necessária para um tráfego rodoviário médio. A Curva A apresenta uma maior segurança, sendo representativo atribuir à carga de 4.000 kg transmitida pela roda de um caminhão. Assim, foi realizada uma equivalência entre as cargas transmitidas de 5.400 kg pela roda de uma aeronave e a de 4.000 kg pela roda de um caminhão com base no seguinte critério: embora os pneus de aeronaves sofram maiores deformações que os pneus dos caminhões, o tráfego rodoviário é mais canalizado que o aeroportuário. Segundo SILVEIRA (1982), a partir do aprimoramento e surgimento de novas aeronaves, houve a necessidade de realizar uma adaptação nas curvas existentes para atender as novas cargas de rodas. Para tanto, obteve-se a tensão de cisalhamento entre o pavimento e o subleito, conforme estabelecido por Boussinesq. Para BALBO (2007), a
36
extrapolação para outras cargas foi realizada da forma a seguir: a)
Obtenção da curva tensão x profundidade, onde foram associados os valores de CBR e da profundidade com base na Curva A (Figura 2.4);
b)
Com o auxilio da equação de Boussinesq foram representadas para as outras cargas as curvas tensão x profundidade;
c)
Para essas novas curvas houve uma associação entre o valor de CBR com a mesma tensão de cisalhamento para a curva de 12.000 libras. Conforme SILVEIRA (1982), para a determinação da curva de uma carga de
roda qualquer, é necessária, apenas, determinar a curva de variação de tensão cisalhante com a profundidade. Assim, a espessura correspondente para um valor de CBR é obtida efetuando o processo de forma inversamente, ou seja, a partir da tensão cisalhante correspondente a um valor de CBR já conhecido para uma carga anterior. Portanto, esse processo permite a determinação de curvas quaisquer para cargas quaisquer, através de uma curva de dimensionamento conhecido. Na Figura 2.6 são apresentadas as extrapolações da curva por meio da equação de Boussinesq. Figura 2.6 – Extrapolação da Curva A pela equação de Boussinesq.
Fonte: BALBO (2007).
37
Segundo HORONJEFF (1966), ao mesmo tempo em que se desenvolveu o estudo teórico, iniciou-se o projeto de pesquisa que foi necessário à construção de trechos experimentais. Os resultados revelaram que o estudo teórico fornecia uma espessura excessiva para pavimentos com CBR de maior valor e espessuras insuficiente para pavimento com o valor de CBR baixo. Assim, as curvas A e B apresentadas na Figura 2.5 foram ajustadas para as curvas apresentadas na Figura 2.7. Figura 2.7 – Curva de Dimensionamento para pavimentos aeroportuários.
Fonte: BALBO (2007).
2.8.3 Ensaio CBR SENÇO (2007) afirma que o CBR, inquestionavelmente, é uma das características mais utilizadas para avaliar o comportamento da fundação ou de alguma camada da estrutura do pavimento. Ainda para SENÇO (2007), o valor de CBR exprime uma relação entre a pressão para penetrar de forma constante um pistão em uma amostra de solo e a pressão para penetrar o mesmo pistão em uma amostra padrão de pedra britada ou material equivalente. Assim, como é apresentado por HORONJEFF (1966), um CBR de 50% implica que a carga necessária para fazer um pistão penetrar uma amostra de solo equivale à metade da carga necessária para o mesmo pistão penetrar uma amostra de pedra britada. No Brasil, esse ensaio é normalizado, principalmente, pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT, 1987), pelo antigo Departamento Nacional de Estradas de Rodagens (DNER, 1997) e pela Diretoria de Engenharia da Aeronáutica (DIRENG, 1987). A DIRENG (1987) apresenta uma peculiaridade, pois recomenda que o CBR final seja correspondente a 95% da massa específica aparente seca máxima, obtida no
38
ensaio de compactação com energia do Proctor modificado.
2.9
Módulo de Resiliência Segundo BERNUCCI et al. (2007), os primeiros estudos que abordavam o
comportamento resiliente dos materiais utilizados em pavimentação são atribuídos a Francis Hveem e iniciados na década de 1930, sendo ele o primeiro pesquisador a associar as deformações elásticas com as fissuras provenientes dos revestimentos asfálticos. Para HVEEM (1955) apud BERNUCCI et al. (2007), resiliência é definida como sendo a energia armazenada por um corpo deformado elasticamente, a qual é devolvida quando cessam as tensões causadoras das deformações. MEDINA & MOTTA (2005) afirmam que o Modulo de Resiliência (MR) de um solo é definido a partir do ensaio triaxial de cargas repetidas, onde se verifica que a deformação total resulta de dois componentes: um resiliente (elástica ou recuperável) e outro permanente (plástica ou irrecuperável). O MR é influenciado pelos seguintes fatores: natureza do solo, umidade, densidade, estado de tensões e das características do próprio ensaio. HORONJEFF & MCKELVEY (2010), constataram que quanto maior o MR de um material, mais rígido ele é, portanto menos suscetíveis serão as deformações a partir de uma determinada tensão.
É apresentada uma relação entre a tensão aplicada e a
deformação elástica longitudinal do corpo de prova para determinar empiricamente o MR de um pavimento, como pode ser observado na Equação 2.2.
'* ( = -. = / ∙∙
2$2
MEDINA & MOTTA (2005) apresentam algumas equações de regressão do MR com ou mais parâmetros, dentre eles pode-se destacar uma correlação entre o módulo e o CBR in situ. HEUKELOM et al. (1962) apud MEDINA & MOTTA (2005), apresenta a Equação 2.3, onde E é expresso em MPa e o coeficiente pode variar de 5,2 a 20,7.
'* ( = 10,4 ∙
2$3
MEDINA & MOTTA (2005) lembram que enquanto o CBR submete a amostra a deformações plásticas elevadas, o MR é determinado a partir de pequenas deformações encontradas em ciclos de carregamento e descarregamentos. FERREIRA (2002), realizou vários ensaios triaxiais com amostras de solos brasileiros e realizou tentativas de relacionar
39
ensaios convencionais e o módulo de resiliência dos solos ou seus paramentos, no entanto não conseguiu apresentar conclusões confiáveis para quaisquer dos solos ensaiados. No entanto, a FAA (2009) recomenda que seja utilizada a relação aproximada apresentada na Equação 2.3 para determinar o MR a partir do valor de CBR. O ensaio do MR para misturas asfálticas é normatizado no Brasil pela norma DNIT (2010). Está em fase de aprovação a especificação proposta pela ABNT para o ensaio do MR.
40
3
DIMENSIONAMENTO DO PAVIMENTO AEROPOTUÁRIO
3.1
Federal Administration Aviation (FAA) A Agência Americana de Aviação Civil (FAA) é uma agência governamental
ligada ao Departamento de Transportes dos Estados Unidos, com sede em Washington, DC. É o órgão responsável pela operação eficiente e segura do sistema de aviação civil americano. A FAA publica a maioria dos regulamentos de interesse para a aviação civil no mundo. Esses regulamentos são compostos de mais de 100 capítulos, que abordam vários aspectos do sistema de aviação civil, incluindo pilotos, aeronaves, o sistema do espaço aéreo e dos aeroportos. Além de regulamentações federais, a FAA publica uma série de Circulares Normativas ( Advisory Circular - AC) que fornecem orientações para projetistas e administradores aeroportuários para construção e ao dimensionamento estrutural de aeródromos. O desenvolvimento da análise comparativa dos métodos de dimensionamento do pavimento flexível aeroportuário pelos métodos mecanicista utilizando o software FAARFIELD e empírico por meio dos ábacos da FAA será baseado nas seguintes circulares: •
AC 150/5320-6C (FAA, 1978) – Projeto e Avaliação de Pavimentos Aeroportuários, que apresenta a metodologia de cálculo para o dimensionamento de pavimento utilizando o método empírico;
•
AC 150/5320-6D (FAA, 1996) - Projeto e Avaliação de Pavimentos Aeroportuários, que apresenta as metodologias de cálculos por meio do método mecanicista utilizando o software Layered Elastic Design Federal Aviation Administration
(LEDFAA) e do método empírico com a inserção de ábacos
referentes as novas aeronaves; •
AC 150/5320-6E (FAA, 2009) – Projeto e Avaliação de Pavimentos Aeroportuários, que apresenta a metodologia de cálculo por meio do método mecanicista utilizando o software Federal Aviation Administration Rigid and Flexible Iterative Elastic Layered Design (FAARFIELD).
O avanço da indústria aeronáutica com o desenvolvimento de aeronaves com
41
configuração de trem de pouso do tipo triplo-tadem (seis rodas por perna), a FAA desenvolveu uma ferramenta computacional pioneira no dimensionamento de pavimentos flexíveis chamada de LEDFAA (FAA, 1995). Historicamente, o LEDFAA representa a principal mudança na metodologia de dimensionamento, quando foi incrementada a utilização de software em substituição aos ábacos. Além de ter sido apresentado o conceito de Fator Acumulativo de Danos (Cumulative Damage Failure – CDF) que leva em conta a contribuição de cada aeronave, por intermédio da Regra de Miner , que estima a quantidade de uso até a falha do pavimento, no dimensionamento do pavimento flexível. Em 2009, a FAA lançou a AC 150/5320-6E que aprovou a utilização do software FAARFIELD
em substituição ao LEDFAA. Os principais avanços incorporados
foram: a)
Novos modelos de falhas de pavimentos rígidos;
b)
Rotinas de cálculo para o projeto de reforço foram reescritas;
c)
A biblioteca do programa foi expandida e atualizada com a inclusão de novos modelos de aeronaves.
3.2
Método Empírico Na opinião de HORONJEFF (1966), como os métodos de dimensionamento
são derivados da observação de pavimentos, a confiança que inspira qualquer um dos métodos é proporcional ao número de verificações experimentais em que o método se baseia. O projeto de dimensionamento de pavimentos de aeroportos é um problema de engenharia complexo, que envolve um grande número de variáveis em interação. Os ábacos de projeto são baseados no CBR para pavimentos flexíveis e em uma análise de tensão no bordo articulado para pavimentos rígidos. Os ábacos fornecem a espessura total exigida de um pavimento flexível (revestimento, base e sub-base) necessária para suportar um determinado peso de aeronave sobre um subleito específico. Eles também apresentam uma indicação de recomendação para a espessura do revestimento nas áreas críticas e não criticas de um pavimento. FONSECA (2011) afirma que as áreas críticas são as pavimentadas sujeitas às condições críticas de serviço como as áreas em que as aeronaves estão carregadas e prontas para deixar os terminais, encontram-se carregadas e em baixas velocidades ao longo das
42
pistas de rolamento e paradas nas cabeceiras para início da decolagem. As demais áreas pavimentadas são as áreas não criticas e podem ter a sua espessura reduzida em relação a das áreas críticas. A determinação da espessura do pavimento deve ser baseada na análise teórica da distribuição da carga através do pavimento e do subleito, na análise de dados experimentais acerca do pavimento e num estudo do desempenho do pavimento sob as condições atuais de serviço. As FAA (1978) e FAA (2009) são unanimes ao afirmarem que os pavimentos projetados por meio dos ábacos e pelo software devem fornecer uma vida estrutural não inferior a 20 anos. Conforme FAA (1978), vários fatores influem na determinação da espessura necessária para que um pavimento forneça um serviço satisfatório. Dentre eles tem-se: a intensidade e as características das aeronaves que solicitarão a estrutura, o volume e a concentração de tráfego em determinadas áreas, a qualidade do solo do subleito e dos materiais que compõem o pavimento. O pavimento deve ser projetado para o peso máximo de decolagem da aeronave. Para FAA (2009), parte-se do princípio de que 95% do peso bruto é transmitido pelo trem de pouso principal e que 5% deste peso é transmitido pelo trem de pouso localizado no nariz. Essa recomendação visa fornecer certa margem de segurança ao projeto e se justifica pelo fato de que mudanças no uso operacional podem ocorrer com alguma frequência. A FAA (1978) apresenta uma metodologia de cálculo para o dimensionamento do pavimento flexível aeroportuário com base no método empírico, tendo como parâmetros a determinação do mix e da aeronave de projeto, o tráfego previsto em termos de trem de pouso, o número equivalente de decolagens anuais da aeronave de projeto e os fatores de equivalência para base e sub-base estabilizadas. A seguir, essa metodologia será apresentada detalhadamente.
3.2.1 Determinação do mix de aeronaves e da aeronave de projeto Devem ser apresentadas as aeronaves que operam na Pista de Pouso e Decolagem com as seguintes informações: frequência anual e peso máximo de decolagens, valor da pressão dos pneus e o tipo de trem de pouso principal das aeronaves. Assim, uma espessura de pavimento é determinada para cada aeronave utilizada na previsão, através dos ábacos apropriados. Aquela que requerer a maior
43
espessura de pavimento será considerada a aeronave de projeto, não sendo, necessariamente, a mais pesada incluída no conjunto de aeronaves.
3.2.2 Agrupamento do tráfego previsto em termos de trem de pouso Como o mix de aeronaves é composto por uma variedade de aeronaves com trem de pousos diferentes, os efeitos devem ser considerados em termos de aeronave de projeto. Por isso, é necessário que todos os trens de pouso das aeronaves sejam convertidos para o mesmo modelo do trem de pouso da aeronave de projeto. A Tabela 3.1 apresenta os fatores que possibilitam a conversão do trem de pouso das aeronaves consideradas no dimensionamento para a aeronave de projeto. Tabela 3.1 – Fatores de conversão de trem de pouso. Para Converter Para Roda simples Roda dupla Roda simples Duplo tandem Roda dupla Duplo tandem Duplo duplo tadem Duplo tandem Duplo tadem Roda simples Duplo tadem Roda dupla Roda dupla Roda simples Duplo duplo tadem Roda dupla Fonte: FAA (1978).
Multiplicar as Decolagens 0,80 0,50 0,60 1,00 2,00 1,70 1,30 1,70
3.2.3 Obtenção do número equivalente de decolagens anuais da aeronave de projeto Depois que o conjunto de aeronaves for agrupado em termos de uma determinada configuração de trem de pouso, a conversão para um número equivalente de decolagens anuais da aeronave de projeto deve ser determinado pela Equação 3.1.
9 = ∙
3$1
Onde, R1 = Número equivalente de decolagens anuais da aeronave de projeto; R2 = Decolagens anuais expressas em termos do trem de pouso de aterrissagem da aeronave de projeto; W1 = Carregamento por roda da aeronave de projeto; W2 = Carregamento por roda da aeronave em questão.
44
3.2.4 Determinação da espessura total do pavimento A espessura total do pavimento é obtida através do ábaco desenvolvido para a aeronave de projeto a partir dos seguintes dados: valor do CBR do subleito, do número equivalente de decolagens anuais e do peso máximo de decolagem da aeronave de projeto. A determinação da espessura da base é realizada de maneira análoga a determinação da espessura total, no entanto o valor do CBR de entrada é o da sub-base (CBR=20%) em vez daquele característico do subleito. A espessura do revestimento para as áreas críticas e não críticas são indicadas na FAA (1978), como pode ser observado na Tabela 3.2. Tabela 3.2 – Espessuras de revestimento asfáltico. Trem de Pouso Área Crítica Roda simples 4 pol (10,1 cm) Roda dupla 4 pol (10,1 cm) Roda tandem duplo 4 pol (10,1 cm) B747-100, SR, 200B, C, F 5 pol (12,7 cm) B747-SP 5 pol (12,7 cm) DC 10-10, 10-CF 5 pol (12,7 cm) DC 10-30, 30-CF, 40, 40-CF 5 pol (12,7 cm) L-1011-1, 100 5 pol (12,7 cm) L-1011-100, 200 5 pol (12,7 cm) Fonte: Adaptado FAA (1978).
Área não Crítica 3 pol (7,6 cm) 3 pol (7,6 cm) 3 pol (7,6 cm) 4 pol (10,1 cm) 4 pol (10,1 cm) 4 pol (10,1 cm) 4 pol (10,1 cm) 4 pol (10,1 cm) 4 pol (10,1 cm)
Para determinar a espessura da sub-base, é efetuada uma subtração do valor da espessura total pela espessura do revestimento e da base. A espessura da base é definida subtraindo a espessura do revestimento e da base pela espessura do revestimento determinada na Tabela 3.2. A espessura da camada de base encontrada é comparada com a espessura mínima disponível na Figura 3.1. A espessura mínima da camada de base é encontrada dando entrada no ábaco com o valor da espessura total do pavimento seguindo até a curva do valor CBR referente ao subleito do pavimento.
45
Figura 3.1 – Espessura mínima para a camada de base.
Fonte: FAA (1978). Segundo a FAA (1978), a espessura total do pavimento de uma área não crítica é determinada multiplicando a espessura da base e da sub-base por 0,9 mais a espessura do revestimento fornecido pelo ábaco correspondente. Os pavimentos localizados nas extremidades das áreas críticas e não criticas é calculado multiplicando o valor da espessura da base por 0,7. Para pavimentos sujeitos a intensidade de tráfego superior a 25.000 decolagens anuais a FAA (1978), recomenda que sejam utilizados os fatores de equivalência apresenta na Tabela 3.3 para converter a espessura encontrada para um tráfego de 25.000 decolagens em um tráfego superior. Como também, ela recomenda que a espessura do revestimento seja acrescida de 1 pol (2,54cm).
46
Tabela 3.3 – Fatores de conversão para tráfego superior a 25.000 decolagens anuais. Percentagem de espessura referente a 25.000 Número de decolagens anuais decolagens 50.000 104% 100.000 108% 150.000 110% 200.000 112% Fonte: Adaptado FAA (1978). Durante a determinação das espessuras do pavimento, faz-se necessário verificar as indicações de espessuras mínimas para as camadas indicadas por FAA (1978).
3.2.5 Fatores de equivalência de base e sub-base estabilizadas A FAA (1978) afirma que as camadas de sub-base e base estabilizadas oferecem benefícios estruturais o pavimento flexível. Esses benefícios são representados em termos de fatores de equivalência entre um material padrão e uma camada estabilizada. A espessura do material estabilizado é determinada dividindo a espessura da camada pelo fator de equivalência do material estabilizado. Na Tabela 3.4 são apresentados os fatores de equivalência para as sub-bases estabilizadas considerando o material padrão P-154 camada de sub-base e com CBR igual a 20%. Tabela 3.4 – Fatores de equivalência para sub-base estabilizadas. Material Fator de Equivalência P-401 Revestimento betuminoso 1,7 – 2,3 P-201 Base Betuminosa 1,7 – 2,3 P-215 Base Betuminosa Misturada a Frio 1,5 – 1,7 P-216 Base Mistura no Local 1,5 – 1,7 P-304 Base Tratada com Cimento 1,6 – 2,3 P-301 Base de Solo Cimento 1,5 – 2,0 P-209 Base de Agregado Britado 1,4 – 2,0 P-154 Sub-base 1,0 Fonte: Adaptado FAA (1978). Na Tabela 3.5 são apresentados os fatores de equivalência para as bases estabilizadas considerando o material padrão P-209 camada de base de agregado britado e com CBR igual a 80%.
47
Tabela 3.5 – Fatores de equivalência para base estabilizadas. Material Fator de Equivalência P-401 Revestimento betuminoso 1,2 – 1,6 P-201 Base Betuminosa 1,2 – 1,6 P-215 Base Betuminosa Misturada a Frio 1,0 – 1,2 P-216 Base Mistura no Local 1,0 – 1,2 P-304 Base Tratada com Cimento 1,2 – 1,6 P-301 Base de Solo Cimento P-209 Base de Agregado Britado 1,0 P-154 Sub-base Fonte: Adaptado FAA (1978).
3.3
Método Mecanicista O Federal Aviation Administration Rigid and Flexible Iterative Elastic
Layered Design (FAARFIELD) é um software da FAA regulamentado por FAA (2009) de
dimensionamento de pavimentos aeroportuários. Segundo HORONJEFF & MCKELVEY (2010), o software baseia-se na fadiga do pavimento de acordo com o Fator Acumulativo de Danos (CDF), no qual a contribuição de cada avião de um mix de aeronaves é analisada separadamente. O valor de CDF varia de 0 a 1. A Tabela 3.6 apresenta as condições do pavimento para diferentes valores de CDF. Tabela 3.6 – Vida útil dos pavimentos de acordo com o valor do CDF. Valor do CDF Vida Útil do Pavimento 1 O pavimento chegou vida útil de fadiga <1 O pavimento não chegou útil de fadiga >1 O pavimento excedeu a vida útil de fadiga Fonte: Adaptado FAA (2009). Com base na Regra de Miner , que estima a utilização do pavimento até a fadiga, o valor do CDF para um dado mix de aeronaves é determinado pela Equação a seguir.
C:/ = ; >
3$2 Onde, ni = Número esperado de decolagens; Ni = Número de decolagens que leva a fadiga. Na Figura 3.2 são apresentadas as contribuições individuais de cada aeronave e
a acumulada das aeronaves presentes no mix na seção do pavimento.
48
Figura 3.2 – Exemplo gráfico da contribuição do CDF em um mix de aeronaves.
Fonte: FAA (2009). Esse método de dimensionamento é baseado em dois modos de ruptura: deformação permanente no topo do subleito e o trincamento por fadiga que se inicia na parte inferior da camada de revestimento. As estruturas são calculadas por três subprogramas: LEAF (análise elástica das camadas), NIKE3D (análise de elementos finitos) e INGRID (geração de malha). A FAA (2009) disponibiliza as seguintes camadas de base no software: P-208 – Aggregate Base Course;
P-209 – Crushed Aggregate Base Course; P-211 – Lime Rock
Base Course ; P-219 – Recycled Concrete Aggregate Base Course; P-304 – Cement Treated Base Course;
P-306 – Econocrete Subbase Course; P-401 – Plant Mix Bituminous
Pavements P-403 – HMA Base Course.
As camadas de sub-base disponíveis são: P-154 –
Subbase Course; P-210 – Caliche Base Course; P-212 – Shell Base Course; P-213 – Sand Clay Base Course;
P-301 – Soil Cement Base Course. Na Figrua 3.3 é apresentada a tela
do programa com as camadas disponíveis para o dimensionamento. Figura 3.3 – Camadas para revestimento, base e sub-base disponíveis no software.
Fonte: FAARFIELD (2012).
49
A FAA (2009) afirma que o revestimento para o pavimento flexível corresponde ao item P-401/403 – Concreto Betuminoso Usina à Quente (CBUQ), com espessura mínima recomendada de 4 pol (10,2 cm) para aeronaves de grande porte. O programa, também, utiliza um valor fixo para o módulo de resiliência dessa camada igual a 200.000 psi (1.380 MPa). A FAA (2009) afirma também que a determinação desse módulo foi realizada de forma conservadora, pois corresponde ao revestimento com uma temperatura de 32°C. A FAA (2009) divide as camadas de base em dois tipos: estabilizadas e não estabilizadas. As bases estabilizadas podem ser subdividas em flexíveis e rígidas. As bases estabilizadas flexível podem ser: P-401/403 e Variable. O padrão do FAARFIELD é utilizar a camada de base P-401/P-403 que tem um módulo de resiliência fixo igual a 400.000 psi (2.760 MPa). A camada Variable não apresenta um módulo fixo, ele pode variar entre 150.000 psi e 400.000 psi (1.035 MPa a 2.760 MPa). As bases rígidas podem ser: P-304 e P-306. A Tabela 3.7 apresenta um resumo com as características das camadas de base estabilizadas. Tabela 3.7 – Base estabilizada rígidas e flexíveis.
Camada de Base Variable
P-401/403 Variable
P-304 P-306 Fonte: Adaptado FAA (2009).
Módulo de Resiliência (MPa) Bases Flexíveis 1.035 – 2760 2.760 Bases Rígidas 1.720 – 4.830 3.450 4.830
Coeficiente de Poisson 0,35 0,35 0,20 0,20 0,20
Segundo a FAA (2009), o valor mínimo recomendado para o módulo de resiliência igual a 1.035 MPa corresponde a um fator de equivalência de 1,2 da camada de base, já o valor máximo igual a 2.760 corresponde a um fator de 1,6. O conceito de fator de equivalência apresentado do método empírico corresponde à relação entre uma base de brita (P-208) com uma base de qualidade superior. Ainda em relação à FAA (2009), as camadas de base não estabilizadas são os itens P-209 e P-208. Diferentemente das estabilizadas, as base não estabilizadas apresentam o valor do módulo de resiliência fixo. O software adota como padrão a base correspondente ao item P-209 e ele aceita que as camadas sejam colocadas em qualquer lugar da estrutura do pavimento, exceto no revestimento e no subleito. Na estrutura de
50
pavimento o software aceita apenas a utilização de duas camadas não estabilizadas e, se as camadas P-209 e P-208 são adjacentes, a P-209 deve ficar sobre a camada P-208. As sub-bases podem ser formadas por materiais britados ou estabilizados. A espessura mínima para uma sub-base é igual a 4 pol (10 cm). O programa aceita a utilização de mais de uma camada, porém é necessário ter o cuidado de não deixar uma camada de brita entre duas camadas estabilizadas. Assim como nas bases, os materiais de melhor qualidade devem ficar sobrepostos aos materiais de menor qualidade (FAA, 2009). A biblioteca do FAARFIELD é composta por uma grande variedade de aeronaves. Conforme apresentada na Figura 3.4, ela divide os grupos de aeronaves em Genéricos, Airbus, Boeing, outros Aviões Comerciais, Geral e Militar. Figura 3.4 – Inserção do mix de aeronaves.
Fonte: FAARFIELD (2012). Assim, como no método empírico, no método mecanicista é feita a recomendação, de que o trem de pouso principal da aeronave corresponde a 95% do peso bruto da mesma (FAA, 2009). O FAARFIELD foi desenvolvido para produzir modelos confiáveis de espessuras de pavimentos a partir de um mix de aeronaves previstas para trafegar naquela
51
estrutura. Segundo a FAA (2009), os danos ao pavimento gerados por cada aeronave são somados de acordo com a Regra de Miner . Assim, quando o valor do CDF somar 1,0, as condições de dimensionamento para a vida útil da estrutura são satisfeitas. O método mecanicista diferencia-se do método empírico na consideração da aeronave. Enquanto o software considera a contribuição do CDF de todas as aeronaves no dimensionamento, os ábacos consideram apenas a influência da aeronave de projeto. Por ser um método de cálculo recente, essa técnica é pouco difundida no meio técnico brasileiro. Desconhece-se que a Empresa Brasileira de Infraestrutura Aeroportuária (INFRAERO) possua norma recomendando o método mecanicista no dimensionamento dos pavimentos aeroportuários administrados por ela. Portanto, a metodologia de cálculo dos pavimentos aeroportuários brasileiros é baseada na norma americana FAA (1978), por está disponível uma versão traduzida para a língua portuguesa. Dessa forma, nesta pesquisa não foi encontrado nenhum estudo comparativo para os aeroportos brasileiros entre os métodos de dimensionamento do pavimento aeroportuário. A seguir é apresentada a metodologia para o dimensionamento de um pavimento flexível aeroportuário através do método mecanicista da FAA (2009). •
Determinação do mix de aeronaves As aeronaves que operam em uma determinada Pista de Pouso e de Decolagens
devem ser apresentadas com as seguintes informações: número e taxa de crescimento anual da demanda de pousos. A biblioteca do software contém as características básicas da aeronave, como o peso máximo na decolagem, o valor da pressão dos pneus, a configuração do trem de pouso principal das aeronaves e a contribuição para o CDF de projeto. •
Caracterização do material Os materiais constituintes das camadas do pavimento devem ser caracterizados
geotecnicamente. O programa disponibiliza uma biblioteca com alguns tipos de materiais para sub-base, base, revestimento flexível e pavimento rígido. Assim como deve ser determinado o CBR do subleito de pavimento. Na utilização de um material que não contenha na biblioteca do programa, é apresentado na biblioteca um modelo genérico de material. Para a utilização desse material indefinido (undefined ) deve ser conhecido o módulo de resiliência do mesmo.
52
•
Determinação da espessura e da vida útil do pavimento Inseridos os dados iniciais, contendo o mix de aeronaves, a previsão de
demanda, a determinação das camadas de pavimento e a caracterização do subleito, o programa está pronto para o dimensionamento da estrutura para uma vida útil padrão de 20 anos. O software permite o dimensionamento da espessura ( Design Structure) da camada de base e sub-base. A espessura do revestimento é um dado de entrada do programa, determinado a partir da inserção do mix de aeronaves, pois, assim como nos ábacos, o tipo de trem de pouso principal é o parâmetro de determinação dessa espessura. O ícone Design Structure é utilizado para a determinação da espessura de projeto. Caso ocorra alguma alteração das espessuras, do revestimento, base ou sub-base, a verificação para a nova vida de serviço dessa estrutura de pavimento é realizada por meio do ícone Life. A espessura mínima para uma camada de base granular é determinada utilizando uma estrutura de pavimento sem a camada de sub-base e com o CBR do subleito superior a 20%. O resultado do dimensionamento da espessura da base é comparado com os valores apresentados na Tabela 3.8, escolhendo-se para a espessura final o maior valor. Tabela 3.8 – Espessura mínima para a camada de base. Tipo de Trem de Pouso Faixa de Carga (kg) Espessura mínima (mm) 13600 – 22.700 100 Roda simples 22.700 – 34.000 150 22.700 – 45.400 150 Roda dupla 45.400 – 90.700 200 45.400 – 113.400 150 Roda tandem duplo 113.400 – 181.000 200 Roda tandem duplo (B757, B767) 90.700 - 181.000 150 Roda tandem duplo (DC10, L1011) 181.000 – 272.000 150 181.000 – 272.000 150 Roda tandem duplo duplo (B747) 272.000 - 385.600 200 Roda tandem duplo (A340) 257.640 – 381.200 250 34.000 – 56.700 100 Roda tandem simples (C130) 56.700 – 79.400 150 Roda tandem triplo (B777) 243.500 – 352.440 250 Roda tandem triplo (A380) 562.000 – 592.000 230 Fonte: Adaptado FAA (2009).
53
A faixa de carga apresentada na Tabela 3.8 representa o peso máximo de decolagem da aeronave de projeto. As espessuras listadas são valores de referência, no entanto a FAA (2009) recomenda que na presença de uma aeronave com peso superior a 100.000 lb (45.400 kg) seja utilizada uma base estabilizada. Na Figura 3.5 é mostrado um exemplo de estrutura dimensionada. Figura 3.5 – Resultado do dimensionamento.
Fonte: FAARFIELD (2012). Após o dimensionamento da estrutura, o software disponibiliza um relatório final (notes) com todas as informações como o tipo de material, as espessuras e os módulos de resiliência das camadas e um gráfico com todas as contribuições dos CDF de cada aeronave presente no mix (CDF Graph). Na Figura 3.6 é apresentado o relatório final ( notes) de dimensionamento para a estrutura da Figura 3.5.
54
Figura 3.6 – CDF Graph de uma estrutura de pavimento dimensionada.
Fonte: FAARFIELD (2012). Na Figura 3.7 é apresentado o CDF Graph do exemplo de dimensionamento da estrutura de pavimento da Figura 3.5. Figura 3.7 – CDF Graph de uma estrutura de pavimento dimensionada.
Fonte: FAARFIELD (2012).
55
4
METODOLOGIA Para elaboração deste trabalho foi realizado um levantamento bibliográfico de
obras que abordam os dimensionamentos de pavimentos flexíveis aeroportuários por meio de livros, artigos científicos, páginas eletrônicas, normas e manuais técnicos e outros trabalhos relacionados ao tema, no Brasil e no exterior. Realizou-se, também, um levantamento bibliográfico em normas com o intuito de apresentar as principais características físicas e geométricas dos elementos que compõem o complexo de pistas de um aeroporto. Foi realizado um levantamento das metodologias de dimensionamento empírica e mecanicista de dimensionamento de pavimentos flexíveis aeroportuários da Federal Aviation Administration (FAA).
Através do levantamento das metodologias, foi
realizado um tutorial ensinando o dimensionamento de pavimentos flexíveis pelos métodos empírico e mecanicista. Após a descrição dos métodos, foram apresentadas, por meio de OLIVEIRA (2009) as características estruturais e funcionais do Aeroporto Internacional de Fortaleza. A partir da estrutura de pavimento do Aeroporto, foram realizadas as verificações sobre a vida útil e o redimensionamento dessa estrutura considerando os mix de aeronaves dos seguintes aeroportos: Aeroporto Internacional Juscelino Kubitschek em Brasília; Aeroporto Internacional Santa Maria em Aracaju e Aeroporto Regional de Paulo Afonso no estado da Bahia. Como o dimensionamento pelo método empírico resultou em uma estrutura sem a camada de base, no dimensionamento pelo método mecanicista foram apresentadas duas propostas para servirem de auxílio às analises entres os métodos. Por fim, foi apresentada uma solução do ponto de vista técnico e econômico mais vantajoso através do método mecanicista para as três situações possíveis de mix de aeronaves.
56
5
ANÁLISE COMPARATIVA DOS MÉTODOS – ESTUDO DE CASO
5.1
Aeroporto Internacional Pinto Martins A INFRAERO (2012) mostra que no ano de 2011 o Aeroporto Internacional
Pinto Martins, ou Aeroporto de Fortaleza, o fluxo de passageiros nas operações de embarque e desembarque foi de, aproximadamente, seis milhões e o número de pousos e decolagens do mesmo período foi de, aproximadamente, sessenta e cinco mil. Assim, ele é o décimo segundo aeroporto em movimento de passageiro do país. Segundo OLIVEIRA (2009), o Aeroporto de Fortaleza surgiu a partir da necessidade de instalação de bases funcionais e estratégicas no nordeste brasileiro para servir de apoio tático ao Exército dos Estados Unidos ( United State of Army – US Army) durante a Segunda Guerra Mundial. Por estar localizado, na época, no bairro Cocorote, o primeiro nome dado ao aeroporto foi de Base do Cocorote. O projeto para a Base Cocorote, conforme DIRENG (1978) apud OLIVEIRA (2009), previa a execução de uma pista de pouso e decolagem em asfalto, com comprimento de 2.100m, largura total de 60m composta por 45m de pista com 7,5m de acostamento, além de as cabeceiras serem de concreto com 60m de comprimento por 47m de largura. OLIVEIRA (2009) afirma ainda que a pista passou por inúmeras intervenções durante seus anos de funcionamento. Entretanto, a pista foi apenas ampliada de 445m em 1963, ficando com o comprimento total de 2.545m e mantendo-se a largura total de 60m. Atualmente, estão sendo realizadas obras de reforma e a ampliação do terminal de passageiros, do pátio de aeronaves e adequação do sistema viário. Com essas intervenções, o terminal terá um ganho na capacidade do terminal de 2,4 milhões de passageiros por ano e a capacidade total será ampliada para 8,6 milhões de passageiros anuais. A previsão para o término da primeira fase das obras é dezembro de 2013 (INFRAERO, 2013b). Embora o terminal de passageiros esteja em reformas para se adequar a demanda de passageiros dos próximos anos, a pista de pouso e decolagem do Aeroporto de Fortaleza possui a mesma configuração desde a sua última intervenção, em 1963. Na Figura 5.1 é apresentada a configuração do complexo de pistas do Aeroporto de Fortaleza no ano de 1963.
57
Figura 5.1 – Aeroporto Internacional Pinto Martins – Fortaleza em 1963.
Fonte: OLIVEIRA (2009). De acordo com a ANAC (2009), a pista de pouso e decolagem do Aeroporto de Fortaleza é classificada por meio das Tabelas 2.7 e 2.8 com o código de referência igual a 4E, pois apresenta comprimento maior que 1.800m, capacidade de receber aeronaves com envergadura inferior a 64,99m e maior que 52m ou distância entre as bordas externas e dos pneus do trem de pouso principal inferior a 13,99m e maior que 9m. A estrutura do pavimento da pista de pouso e decolagem do Aeroporto de Fortaleza, segundo DIRENG (1991) apud OLIVEIRA (2009), é composta por um revestimento de 18cm de concreto asfáltico, uma base de 28cm de macadame hidráulico, sub-base de 28cm de solo pedregulhoso e um subeleito de areia siltosa com CBR superior a 20%. A estrutura de pavimento do Aeroporto de Fortaleza apresenta uma característica peculiar, enquanto as FAA (1978) e FAA (2009) recomendam que o CBR do material de sub-base seja superior a 20%, o subleito da pista de pouso e decolagem do aeroporto apresenta essa configuração. Na Figura 5.2 é apresentada a seção do pavimento flexível da pista de pouso e decolagem. Figura 5.2 – Estrutura do pavimento flexível da pista de pouso e decolagem em centímetros. REVESTIMENTO ASFÁLTICO – CBUQ
18
Base em Macadame Hidráulico
28
Sub-base Solo de Pedregulhoso
28
Subleito (CBR≥20%) Fonte: DIRENG (1991) apud OLIVEIRA (2009).
58
5.2
Previsão de tráfego de aeronaves A vida útil da estrutura de pavimento flexível da pista de pouso e decolagen do
Aeroporto de Fortaleza será verificada, neste trabalho, por intermédio do software FAARFIELD, para três situações de previsões de tráfego diferentes: os mix de aeronaves referentes ao Aeroporto Internacional Juscelino Kubitschek em Brasília, ao Aeroporto Internacional Santa Maria em Aracaju e ao Aeroporto Regional de Paulo Afonso no estado da Bahia. Embora, a INFRAERO (2012) afirme que o Aeroporto de Fortaleza tenha uma capacidade total (antes da reforma) de 65 mil operações de pousos e decolagens, os mix de aeronaves consideradas nas verificações da estrutura de pavimento apresentam capacidades operacionais distintas. As projeções de tráfego propostas para essa verificação podem ser diferenciadas de acordo com a capacidade anual das operações de pousos e decolagens. Na escolha dos mix de aeronaves, tomou-se o cuidado de selecionar apenas aqueles que a aeronave de projeto fosse igual ou inferior à aeronave do mix de aeronaves do Aeroporto de Fortaleza. Segundo OLIVEIRA (2009), a aeronave de projeto do Aeroporto de Fortaleza é o B747-400. O primeiro mix de aeronaves proposto corresponde ao Aeroporto Internacional de Brasília que é classificado por meio das Tabelas 2.7 e 2.8 com o código de referência 4E e com uma demanda de, aproximadamente, 190 mil operações de pousos e decolagens no ano de 2011 (INFRAERO, 2012). Na Tabela 5.1 estão apresentadas as informações técnicas extraídas da biblioteca do software para as aeronaves consideradas na projeção do mix do Aeroporto Internacional Juscelino Kubitschek em Brasília, em que constam o tipo de aeronave, o Peso Máximo de Decolagem (PMD), o Tipo de Trem de Pouso (TTP), o Número de Rodas (NR) e o Carregamento por Roda (CR).
59
Tabela 5.1 – Informações técnicas da projeção do mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília.
Aeronaves
PMD (lb) PMD (ton) TTP NR CR (lb)
CR (ton)
PA34 – Skyline 4.750 2,155 RS 2 2.375 1,077 EMB-120 - Brasília 26.433 11,990 RD 4 6.608 2,997 EMB-135 - Embraer 135 41.888 19,000 RD 4 10.472 4,750 ATR 42-300 36.817 16,700 RD 4 9.204 4,175 B737 - Boeing 737-700 155.000 70,307 RD 4 38.750 17,577 B733 - Boeing 737-300 140.000 63,503 RD 4 35.000 15,876 A319 - Airbus 319 141.978 64,400 RD 4 35.495 16,100 F100 - Fokker 100 101.000 45,813 RD 4 25.250 11,453 A320 - Airbus 320 150.796 68,400 RD 4 37.699 17,100 B738 - Boeing 737-800 174.700 79,243 RD 4 43.675 19,811 B752 - Boeing 757-200 256.000 116,120 DT 8 32.000 14,515 B763 - Boeing 767-300 361.000 163,747 DT 8 45.125 20,468 B744 - Boeing 747-400 877.000 397,801 DDT 16 54.813 24,863 Fonte: FAARFIELD (2012); ANAC (2009). Legenda: RS – Roda simples, RD – Roda dupla, DT – Duplo tandem. DDT – Duplo Duplo Tandem. Na Tabela 5.2 é apresentada a previsão para o mix do Aeroporto Internacional de Brasília com o número total de decolagens em um período de 20 anos e a média anual de decolagens no período correspondente. Tabela 5.2 – Previsão para o número de decolagens do mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília. Total de decolagens Média Anual de Decolagens Aeronaves (2016 a 2035) (2016 a 2035) PA34 – Skyline 94.540 4.727 EMB-120 - Brasilia 189.100 9.455 EMB-135 - Embraer 135 94.540 4.727 ATR 42-300 92.300 4.615 B737 - Boeing 737-700 397.460 19.873 B733 - Boeing 737-300 121.200 6.060 A319 - Airbus 319 157.580 7.879 F100 - Fokker 100 89.680 4.484 A320 - Airbus 320 888.180 44.409 B738 - Boeing 737-800 575.280 28.764 B752 - Boeing 757-200 130.300 6.515 B763 - Boeing 767-300 130.300 6.515 B744 - Boeing 747-400 95.860 4.793 Fonte: INFRAERO (2011). A Figura 5.3 apresenta o mix de aeronaves da Tabela 4.2 cadastrada no
60
software FAARFIELD.
Figura 5.3 – Mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília cadastrado no FAARFIELD.
Fonte: FAARFIELD (2012). O segundo mix de aeronaves proposto corresponde ao Aeroporto Internacional de Aracaju classificado por meio das Tabelas 2.7 e 2.8 com o código de referencia 4D e com uma demanda de, aproximadamente, 21 mil operações de pousos e decolagens no ano de 2011 (INFRAERO, 2012). Na Tabela 5.3 estão apresentadas as informações técnicas extraídas da biblioteca do software para as aeronaves consideradas na projeção do mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju, em que constam o tipo de aeronave, o Peso Máximo de Decolagem (PMD), o Tipo de Trem de Pouso (TTP), o Número de Rodas (NR) e o Carregamento por Roda (CR).
61
Tabela 5.3 – Informações técnicas da projeção do mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju.
Aeronaves
PMD (lb) PMD (ton) TTP NR
CR (lb)
C208 - Caravan 8.001 3,629 RS 2 4.001 EMB-120 - Brasília 26.433 11,990 RD 4 6.608 EMB-145 - Embraer 145 45.415 20,600 RD 4 11.354 B737 - Boeing 737-700 155.000 70,307 RD 4 38.750 B733 - Boeing 737-300 140.000 63,503 RD 4 35.000 F100 - Fokker 100 101.000 45,813 RD 4 25.250 A320 - Airbus 320 150.796 68,400 RD 4 37.699 B738 - Boeing 737-800 174.700 79,243 RD 4 43.675 B763 - Boeing 767-300 361.000 163,747 DT 8 45.125 Fonte: Fonte: FAARFIELD (2012); ANAC (2009). Legenda: RS – Roda simples, RD – Roda dupla, DT – Duplo tandem.
CR (ton) 1,815 2,998 5,150 17,577 15,876 11,453 17,100 19,811 20,468
Na Tabela 5.4 é apresentada a previsão para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju com o número total de decolagens em um período de 20 anos e a média anual de decolagens no período correspondente. Tabela 5.4 – Previsão para o número de decolagens para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju. Total de decolagens Média Anual de Decolagens Aeronaves (2016 a 2035) (2016 a 2035) C208 - Caravan 8.885 445 EMB-120 - Brasília 59.105 2.956 EMB-145 - Embraer 145 55.254 2.763 B737 - Boeing 737-700 66.571 3.329 B733 - Boeing 737-300 48.821 2.442 F100 - Fokker 100 13.321 667 A320 - Airbus 320 75.728 3.787 B738 - Boeing 737-800 49.051 2.453 B763 - Boeing 767-300 13.180 659 Fonte: INFRAERO (2012). A Figura 5.4 apresenta o mix de aeronaves da Tabela 4.4 cadastrada no software FAARFIELD.
62
Figura 5.4 – Mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju cadastrado no FAARFIELD.
Fonte: FAARFIELD (2012). O terceiro mix proposto corresponde ao Aeroporto Regional de Paulo Afonso, na Bahia, classificado por meio das Tabelas 2.7 e 2.8 com o código de referencia r eferencia 4C. Ele é um aeroporto de operação regional e uma demanda no ano de 2011 de, aproximadamente, 3 mil operações de pousos e decolagens (INFRAERO, 2012). Essa projeção contém aeronaves que não são cadastradas na biblioteca do FAARFIELD, entretanto o software permite cadastrar uma aeronave genérica a partir das características operacionais como o peso máximo de decolagem e o tipo de trem de pouso da aeronave proposta. Na Tabela 5.5 estão apresentadas as informações técnicas extraídas da biblioteca do software para as aeronaves consideradas na projeção do mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso, em que constam o tipo de aeronave, o Peso Máximo de Decolagem (PMD), o Tipo de Trem de Pouso (TTP), o Número de Rodas (NR) e o Carregamento por Roda (CR).
63
Tabela 5.5 – Informações técnicas da projeção do mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso.
Aeronaves
PMD (lb) PMD (ton) TTP NR
CR (lb)
Commander 500 6.751 3,062 RS 2 3.376 B733 - Boeing 737-300 140.000 63,503 RD 4 35.000 B734 - Boeing 737-400 150.501 68,266 RD 4 37.625 Cessna - 208 - Caravan 8.000 3,629 RS 2 4.000 Cessna - 402 6.849 3,107 RS 2 3.425 EMB-110 - Bandeirante 13.007 5,900 RD 4 3.252 EMB-810 - Seneca 4.570 2,073 RS 2 2.285 EMB-820 - Navajo 6.999 3,175 RS 2 3.500 F50 - Fokker 50 45.900 20,820 RD 4 11.475 Bombardier LR – 60 23.501 10,660 RD 4 5.875 B738 - Boeing 737-800 174.700 79,243 RD 4 43.675 A319 - Airbus 319 141.978 64,400 RD 4 35.495 A320 - Airbus 320 150.796 68,400 RD 4 37.699 Fonte: Fonte: FAARFIELD (2012); ANAC (2009). Legenda: RS – Roda simples, RD – Roda dupla, DT – Duplo tandem.
CR (ton) 1,531 15,876 17,067 1,814 1,553 1,475 1,036 1,587 5,205 2,665 19,811 16,100 17,100
Na Tabela 5.6 é apresentada a previsão para o mix de aeronaves do Aeroporto de Paulo Afonso com o número total de decolagens em um período de 20 anos e a média anual de decolagens no período correspondente. Tabela 5.6 – Previsão para o número de decolagens do mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso. Total de decolagens Média Anual de Decolagens Aeronaves (2013 a 2032) (2013 a 2032) Commander 500 186 10 B733 – Boeing 737-300 13.220 661 B734 – Boeing 737-400 31.004 1.551 Cessna-208 – Caravan 15.931 797 Cessna – 402 85 5 EMB-110 – Bandeirante 6.052 303 EMB-810 – Seneca 56 3 EMB-820 – Navajo 984 50 F50 – Fokker 50 2.955 148 Bombardier LR – 60 152 8 B738 – Boeing 737-800 6.667 334 A319 – Airbus 319 5.663 284 A320 – Airbus 320 8.377 419 Fonte: INFRAERO (2012). A Figura 5.5 apresenta o mix de aeronaves da Tabela 5.6 cadastrada no software FAARFIELD.
64
Figura 5.5 – Mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso cadastrado no FAARFIELD.
Fonte: FAARFIELD (2012).
5.3
Verificação da vida útil da estrutura da pista de pouso e decolagem A verificação da vida útil de um pavimento representa a durabilidade da
estrutura para um tráfego de aeronaves estabelecido. Para pavimentos aeroportuários, a FAA (2009) recomenda que o pavimento seja projetado para um horizonte de 20 anos. Standard Structure estará presente em todas A mensagem de advertência Non-Standard Structure
as telas do software apresentadas nas figuras a seguir, pois, como os mix de aeronaves cadastrados possuem aeronaves aeronaves com peso de decolagem superior a 100.000lb (45.400kg), a FAA (2009) recomenda a utilização de uma base estabilizada. A partir do cadastramento do mix de aeronaves e das características estruturais do pavimento no software FAARFIELD, é possível realizar a verificação da estimativa para a vida útil dessa estrutura. O primeiro mix analisado, correspondente ao Aeroporto Internacional de Brasília, representa a projeção com maior carregamento, no entanto, como observado na Figura 5.6, o software faz uma previsão superior a 9.200 anos.
65
Figura 5.6 – Verificação da vida útil de projeto para o mix de Brasília.
Fonte: FAARFIELD (2012). Na Figura 5.7 é apresentada a verificação da vida útil do pavimento, a partir da inserção do segundo mix de aeronaves, correspondente ao Aeroporto Internacional de Aracaju, no software FAARFIELD que resultou em uma previsão superior a 170 mil anos.
66
Figura 5.7 – Verificação da vida útil de projeto para o segundo mix de aeronaves.
Fonte: FAARFIELD (2012). Na Figura 5.8 é apresentada a verificação da vida útil do pavimento, a partir da inserção do terceiro mix de aeronaves, correspondente ao Aeroporto de Paulo Afonso, no software FAARFIELD que resultou em uma previsão de superior a 700 mil anos.
67
Figura 5.8 – Verificação da vida útil de projeto para o terceiro mix de aeronaves.
Fonte: FAARFIELD (2012). Na Tabela 5.7 é apresentado um resumo com os valores de vida útil estimada para os projetos obtidos a partir das verificações no software FAARFIELD. Tabela 5.7 – Quadro resumo com os valores máximos da vida útil. Mix Aeroporto Internacional de Brasília (aeroporto de grande porte) Aeroporto Internacional de Aracaju (aeroporto de médio porte) Aeroporto Regional de Paulo Afonso (aeroporto de porte regional) Fonte: Autor (2013).
Vida Útil (anos) 9.267,0 170.442,70 705.841,00
Os resultados da Tabela 5.7 evidenciam o superdimensionamento da estrutura do pavimento flexível do Aeroporto de Fortaleza para todos os mix de aeronaves propostos neste trabalho. É importante ressaltar, que a estrutura de pavimento do Aeroporto de Fortaleza foi concebida para suportar as solicitações dos aviões militares durante a Segunda Guerra Mundial.
5.4
Dimensionamento da estrutura de pavimento flexível Com o intuito de apresentar uma estrutura viável no ponto de vista técnico, será
68
proposto um redimensionamento da estrutura de pavimento utilizando os métodos de dimensionamento da Federal Aviation Administration (FAA) normatizadas nas FAA (1978) e FAA (2009), juntamente com as projeções de tráfego de aeronaves apresentadas anteriormente. Os métodos utilizados no dimensionamento são o empírico, por meio dos ábacos, e o mecanicista, com o auxílio do software FAARFIELD, cujas metodologias de cálculo foram apresentadas no terceiro capítulo deste trabalho.
5.4.1 Método empírico No dimensionamento do pavimento flexível pelo método empírico deve ser obedecida à metodologia recomenda pela FAA (1978), como apresentado anteriormente. O primeiro passo no dimensionamento é a determinação do mix de aeronaves e da aeronave de projeto. Com a determinação da aeronave de projeto, podem-se definir os fatores de equivalência para converter o número de decolagens das aeronaves em decolagens referentes ao trem de pouso da aeronave de projeto. O número de decolagens anuais relativas à aeronave de projeto é determinado pela Equação 2.4, ressaltando-se que o carregamento no trem de pouso corresponde a 95% do carregamento da aeronave. Em seguida, deve-se determinar a espessura total do pavimento e a verificação da espessura mínima para a camada de base. Caso no dimensionamento seja prevista a utilização de materiais estabilizados, a camada granular deverá ser convertida por meio dos fatores de equivalências presentes nas Tabelas 3.4 e 3.5. Para o estudo de caso analisado neste trabalho, a aeronave que requer uma maior espessura total da estrutura de pavimento no mix do Aeroporto Internacional de Brasília é o Boeing 767-300, sua geometria do trem de pouso é de roda tandem dupla e o peso máximo de decolagem é igual a 361.000lb. Assim, na Tabela 5.8 é apresentado o somatório do número de decolagens anuais da aeronave de projeto, determinada a partir da Equação 3.1.
69
Tabela 5.8 – Decolagens anuais da aeronave de projeto para o mix Internacional de Brasília. Decolagens em Fator de Termos de Carregamento Aeronaves Equivalência Roda Dupla por Roda (W2) (R2) PA34 – Skyline 0,5 2.364 1,023 EMB-120 - Brasília 0,6 5.673 2,848 EMB-135 0,6 2.836 4,513 ATR 42-300 0,6 2.769 3,966 B737 - Boeing 737-700 0,6 11.924 16,698 B733 - Boeing 737-300 0,6 3.636 15,082 A319 - Airbus 319 0,6 4.727 15,295 F100 - Fokker 100 0,6 2.690 10,881 A320 - Airbus 320 0,6 26.645 16,245 B738 - Boeing 737-800 0,6 17.258 18,820 B752 - Boeing 757-200 1,0 6.515 13,789 B763 - Boeing 767-300 1,0 6.515 19,445 B744 - Boeing 747-400 1,0 4.793 23,619 Total Fonte: Autor (2013).
do Aeroporto
Decolagens Anuais da Aeronave de Projeto (R1) 6 28 47 36 5.992 1.368 1.816 368 11.095 14.736 1.629 6.516 11.390 55.027
Quando o número de decolagens anuais é superior a 25.000, a FAA (1978) recomenda que a espessura total do pavimento seja multiplicada pelos fatores de equivalência apresentados na Tabela 3.3. De acordo com a tabela, p fator de conversão para um mix com 50.000 decolagens anuais é 1,04. A FAA (1978) também recomenda que a espessura de revestimento seja aumentada em 1pol (2,54cm); assim a espessura do revestimento asfáltico será igual a 5pol (12,7cm) para este caso. Na Figura 5.9 é apresentado o ábaco de dimensionamento da estrutura de pavimento flexível para uma aeronave de tandem de roda dupla com setas indicando o dimensionamento para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília.
70
Figura 5.9 – Ábaco de dimensionamento de pavimento flexível para uma aeronave de roda tandem duplo.
Fonte: FAA (1995). Dando entrada no ábaco da Figura 5.9 com o CBR do subeleito de 20%, o peso máximo da aeronave de projeto é 361.000lb. Para o dimensionamento no ábaco é adotado o ponto intermediário entre as curvas de 300.000lb e 400.000lb, e o número de decolagens igual a 25.000 anuais. A espessura total é de 20pol. Como o mix de aeronaves prevê 50.000 decolagens anuais, a espessura é de 20,8pol. Pela Figura 3.1, a espessura mínima para uma camada de base será encontrada
71
dando entrada no ábaco com o valor da espessura total do pavimento igual a 20,8pol e o CBR da camada do subleito igual a 20%. A espessura mínima para a base é igual a 18,5pol. Na Figura 5.10 é apresentada a estrutura de pavimento proposta para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília. Figura 5.10 – Estrutura de pavimento para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília. Revestimento Asfáltico – CBUQ
5,0pol
12,7cm
Base em Macadame Hidráulico
18,5pol
47,0cm
Subleito (CBR≥20%) Fonte: Autor (2013). No mix de aeronave do Aeroporto Internacional de Aracaju a aeronave de projeto é o Boeing 737-800, sua geometria do trem de pouso é de roda dupla e o peso máximo de decolagem é igual a 174.700lb. Para o dimensionamento no ábaco é adotado 200.000lb. Assim, na Tabela 5.9 é apresentado o somatório do número de decolagens anuais da aeronave de projeto, determinada a partir da Equação 2.4. Tabela 5.9 – Decolagens anuais da aeronave de projeto para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju. Decolagens Decolagens Carregamento Fator de em Termos Anuais da Aeronaves por Roda Equivalencia de Roda Aeronave de (W 2) Dupla (R2) Projeto (R1) C208 - Caravan 0,8 356 1,724 6 EMB-120 - Brasília 1,0 2.956 2,848 23 EMB-145 - Embraer 145 1,0 2.763 4,893 57 B737 - Boeing 737-700 1,0 3.329 16,698 2.079 B733 - Boeing 737-300 1,0 2.442 15,082 1.079 F100 - Fokker 100 1,0 667 10,881 141 A320 - Airbus 320 1,0 3.787 16,245 2.111 B738 - Boeing 737-800 1,0 2.453 18,820 2.453 B763 - Boeing 767-300 1,7 1.120 19,445 1.258 9.207 Total Fonte: Autor (2013). Na Figura 5.11 é apresentado o ábaco de dimensionamento da estrutura de pavimento flexível para uma aeronave de roda dupla com setas indicando o dimensionamento para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracajú.
72
Figura 5.11 – Ábaco de dimensionamento de pavimento flexível para uma aeronave de roda dupla.
Fonte: FAA (1995). De acordo com o ábaco de dimensionamento presente na Figura 5.11, a espessura total da estrutura para um pavimento cuja aeronave de projeto é de roda dupla é igual a 18pol. A espessura mínima para a camada de base é igual a 15,5pol e a espessura de revestimento asfáltica, recomendada pela FAA (1978) e presente no ábaco da figura anterior, é de 4pol. Na Figura 5.12 é apresentada a estrutura de pavimento proposta para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju.
73
Figura 5.12 – Estrutura de pavimento para o mix de aeronaves do Aeroporo Internacional de Aracaju. Revestimento Asfáltico – CBUQ
4 pol (10,1 cm)
Base em Macadame Hidráulico
15,5 pol (39,4cm)
Subleito (CBR≥20%) Fonte: Autor (2013). No mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso, a aeronave de projeto é o Boeing 737-400, cuja geometria do trem de pouso é de roda dupla e o peso máximo de decolagem igual a 150.500lb. Para o dimensionamento no ábaco será adotado 150.000lb. Assim, na Tabela 5.10 é apresentado o somatório do número de decolagens anuais da aeronave de projeto, determinada a partir da Equação 2.4. Tabela 5.10 – Decolagens anuais da aeronave de projeto para o mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso . Decolagens Carregamento Decolagens Fator de em Termos de Anuais da Aeronaves por Roda Equivalência Roda Dupla Aeronave de (W 2) (R2) Projeto (R1) B733 - Boeing 737-300 1,0 661 15,082 525 B734 - Boeing 737-400 1,0 1.551 16,213 1.551 Cessna - 208 - Caravan 0,8 637,6 1,724 9 EMB-110 - Bandeirante 1,0 303 1,401 6 EMB-810 - Seneca 0,8 2,4 0,985 2 EMB-820 - Navajo 0,8 40 1,508 4 F50 - Fokker 50 1,0 148 4,945 16 B738 - Boeing 737-800 1,0 334 18,820 524 A319 - Airbus 319 1,0 284 15,295 242 A320 - Airbus 320 1,0 419 16,245 422 Total 3.301 Fonte: Autor (2013). Na Figura 5.13 é apresentado o ábaco de dimensionamento da estrutura de pavimento para uma aeronave de roda dupla com setas indicando o dimensionamento para o mix de aeronaves do Aeroporto de Paulo Afonso.
74
Figura 5.13 – Ábaco de dimensionamento de pavimento flexível para uma aeronave de roda dupla.
Fonte: FAA (1995). De acordo com o ábaco de dimensionamento presente na Figura 5.13, a espessura total da estrutura para um pavimento cuja aeronave de projeto é de roda dupla é igual a 14pol. A espessura mínima para a camada de base é igual a 11pol e a espessura de revestimento asfáltica, recomendada pela FAA (1978) e presente no ábaco da figura anterior é de 4pol. Na Figura 5.14 é apresentada a estrutura de pavimento proposta para o mix de aeronaves de Aeroporto Regional de Paulo Afonso.
75
Figura 5.14 – Estrutura de pavimento para do mix de aeronaves Aeroporto Regional de Paulo Afonso. Revestimento Asfáltico – CBUQ
4,0pol
10,1cm
Base em Macadame Hidráulico
11,0pol
27,9cm
Subleito (CBR≥20%) Fonte: Autor (2013). Em todos os dimensionamentos realizados por meio do método empírico, não foi prevista uma camada de sub-base, pois a espessura mínima para base em macadame hidráulico mais a espessura recomendada para o revestimento ultrapassam a espessura total do pavimento encontrada nos ábacos. A FAA (1978) recomenda que no subleito das superfícies que serão pavimentadas seja realizado um tratamento para garantir o seu grau de compactação. Como o subleito sofrerá esse tratamento, a última camada de novo subleito poderá ser considerada como uma camada de sub-base. Na Tabela 5.11 é apresentado um resumo com as proposições de estruturas de pavimento flexível pelo método empírico para cada mix de aeronaves disponíveis. Tabela 5.11 – O resumo das estruturas de pavimentos propostas pelo método empírico.
Camada
Mix CBUQ
Brasília
Aracaju
Paulo Afonso
5,0pol 12,7cm 4,0pol 10,1cm 4,0pol 10,1cm
Base em Macadame Hidráulico 18,5pol 47,0cm 15,5pol 39,4cm 11,0pol 27,9cm Subleito (CBR≥20%) Fonte: Autor (2013).
5.4.2 Método mecanicista O dimensionamento pelo FAARFIELD consiste primeiramente no cadastramento do mix de aeronaves e na definição das camadas que irão compor a estrutura de pavimento. Por esse método serão realizados três dimensionamentos: o primeiro será com a mesma estrutura proposta pelo método empírico, ou seja, com o revestimento de 10cm e uma camada de base; no segundo será proposto um dimensionamento utilizando a apenas a aeronave de projeto e o número de decolagens calculadas no método empírico; e no último dimensionamento será proposta uma estrutura com as seguintes camadas do pavimento: revestimento asfáltico de concreto betuminoso usinado à quente (CBUQ), base em
76
macadame hidráulico e sub-base em solo pedregulhoso. No terceiro dimensionamento será considerada a espessura mínima para a camada de base, obtida por intermédio da Tabela 3.6. Assim, em todos os mix de aeronaves propostos, a espessura mínima será igual a 15cm. Na camada de revestimento asfáltico também será considerada a espessura mínima determinada pela FAA (2009) de 10cm. A fim de dimensionar o pavimento flexível da pista de pouso e decolagem do Aeroporto Internacional de Fortaleza, a entrada de dados no software FAARFIELD para o mix
de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília atendeu as seguintes
considerações: a)
CBR do subleito (SL) = 20%;
b)
Camada asfáltica de concreto betuminoso usinado à quente (CBUQ) correspondente ao P-401/P-403 HMA Surface no FAARFIELD com espessura de 10cm;
c)
Camada de base de Macadame Hidráulico correspondente ao material P-209 Cr Ag na biblioteca do software com
d)
espessura de 15cm;
Camada de sub-base de solo pedregulhoso correspondente ao material P-154 UnCR Ag na biblioteca do software.
Como no método empírico, foi proposto um dimensionamento da estrutura apenas com as camadas de base e revestimento asfáltico. Na Figura 5.15 está apresentado um dimensionamento por meio do FAARFIELD com os mesmos materiais para base e revestimento da estrutura do Aeroporto Internacional de Fortaleza, considerando o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília.
77
Figura 5.15 – Primeiro dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília.
Fonte: FAARFIELD (2012). Na Figura 5.16 é apresentado o dimensionamento considerando a atuação da aeronave de projeto determinada na metodologia empírica para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília juntamente com o seu número de decolagens para um pavimento com as seguintes camadas: revestimento asfáltico e uma base em macadame hidráulico.
78
Figura 5.16 – Segundo dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília.
Fonte: FAARFIELD (2012). Na Figura 5.17 é apresentado o terceiro dimensionamento da estrutura de pavimento flexível incluindo os mesmos materiais presentes na estrutura do Aeroporto de Fortaleza levando em conta a contribuição do mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília, que corresponde a um aeroporto com um tráfego de aeronaves alto.
79
Figura 5.17 – Terceiro dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília.
Fonte: FAARFIELD (2012). A fim de dimensionar o pavimento flexível, a entrada de dados no software FAARFIELD para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracajú atendeu as seguintes considerações: a)
CBR do subleito (SL) = 20%;
b)
Camada asfáltica de concreto betuminoso usinado à quente (CBUQ) correspondente ao P-401/P-403 HMA Surface no FAARFIELD com espessura mínima de 10cm;
c)
Camada de base de Macadame Hidráulico correspondente ao material P-209 Cr Ag na biblioteca do software com espessura mínima de 15cm;
d)
Camada de sub-base de solo pedregulhoso correspondente ao material P-154 UnCR Ag na biblioteca do software.
Como no método empírico, foi proposto um dimensionamento da estrutura apenas com as camadas de base e revestimento asfáltico. Na Figura 5.18 está apresentado um dimensionamento por meio do FAARFIELD com os mesmos materiais para base e
80
revestimento da estrutura do Aeroporto Internacional de Fortaleza, considerando o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju. Figura 5.18 – Primeiro dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju.
Fonte: FAARFIELD (2012). Na Figura 5.19 é apresentado o dimensionamento considerando a atuação da aeronave de projeto determinada na metodologia empírica para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju juntamente com o seu número de decolagens para um pavimento com as seguintes camadas: revestimento asfáltico e uma base em macadame hidráulico.
81
Figura 5.19 – Segundo dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju.
Fonte: FAARFIELD (2012). Na Figura 5.20 apresentado o terceiro dimensionamento da estrutura de pavimento flexível com os mesmos materiais presentes na estrutura do Aeroporto Internacional de Fortaleza levando em conta a contribuição do mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju, que corresponde a um aeroporto com tráfego de aeronaves mediano.
82
Figura 5.20 – Terceiro dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Aracaju.
Fonte: FAARFIELD (2012). A fim de dimensionar o pavimento flexível, a entrada de dados no software FAARFIELD para o mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso atendeu as seguintes considerações: a)
CBR do subleito (SL) = 20%;
b)
Camada asfáltica de concreto betuminoso usinado à quente (CBUQ) correspondente ao P-401/P-403 HMA Surface no FAARFIELD com espessura mínima de 10cm;
c)
Camada de base de Macadame Hidráulico correspondente ao material P-209 Cr Ag na biblioteca do software com espessura mínima de 15cm;
d)
Camada de sub-base de solo correspondente ao material P-154 UnCR Ag na biblioteca do software. Como no método empírico, foi proposto um dimensionamento da estrutura
apenas com as camadas de base e revestimento asfáltico. Na Figura 5.21 está apresentado um dimensionamento por meio do FAARFIELD com os mesmos materiais para base e
83
revestimento da estrutura do Aeroporto Internacional de Fortaleza, considerando o mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso. Figura 5.21 – Primeiro dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso.
Fonte: FAARFIELD (2012). Na Figura 5.22 é apresentado o dimensionamento considerando a atuação da aeronave de projeto determinada na metodologia empírica para o mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso juntamente com o seu número de decolagens para um pavimento com as seguintes camadas: revestimento asfáltico e uma base em macadame hidráulico.
84
Figura 5.22 – Segundo dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso.
Fonte: FAARFIELD (2012). Na Figura 5.23 apresentado o terceiro dimensionamento da estrutura de pavimento flexível com os mesmos materiais presentes na estrutura do Aeroporto de Fortaleza levando em conta a contribuição do mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso, que corresponde a um aeroporto com um tráfego de aeronaves baixo.
85
Figura 5.23 – Terceiro dimensionamento da estrutura para o mix de aeronaves do Aeroporto Regional de Paulo Afonso.
Fonte: FAARFIELD (2012). Na Tabela 5.12 é apresentado um resumo com as proposições de estruturas de pavimento flexível pelo método mecanicista para cada mix de aeronaves disponíveis do primeiro dimensionamento considerando a existência de uma camada de revestimento e uma de base. Tabela 5.12 – O resumo das estruturas em centímetros do primeiro dimensionamento pelo FAARFIELD. Camada Brasília Aracaju Paulo Afonso Mix CBUQ 10,10 10,10 10,10 Base em Macadame Hidráulico 43,96 36,63 32,74 Subleito (CBR≥20%) Fonte: Autor (2013). Na Tabela 5.13 é apresentado um resumo do segundo dimensionamento com as proposições de estruturas de pavimento flexível pelo método mecanicista consideração apenas à aeronave de projeto definida para cada aeroporto.
86
Tabela 5.13 – O resumo das estruturas em centímetros do segundo dimensionamento pelo FAARFIELD. Brasília Aracaju Paulo Afonso Camada Mix CBUQ 10,10 10,10 10,10 Base em Macadame Hidráulico 43,13 38,61 32,27 Subleito (CBR≥20%) Fonte: Autor (2013). Na Tabela 5.14 é apresentado um resumo com as proposições de estruturas de pavimento flexível pelo método mecanicista para cada mix de aeronaves disponíveis do terceiro dimensionamento. Esse dimensionamento apresenta uma solução técnica e econômica mais vantajosa através do método mecanicista para as três situações possíveis de mix de aeronaves, pois há a adição de uma camada de sub-base com material menos nobre. Tabela 5.14 – O resumo das estruturas em centímetros do terceiro dimensionamento pelo FAARFIELD. Mix Camada Brasília Aracaju Paulo Afonso CBUQ 10,1 10,1 10,1 Base em Macadame Hidráulico 15,0 15,0 15,0 Sub-base em Solo Pedregulhoso 32,7 24,2 19,9 Subleito (CBR≥20%) Fonte: Autor (2013).
5.5
Análise do resumo dos resultados dos métodos Na Tabela 5.15 é apresentado o resumo de todas as estruturas de pavimentos
dimensionadas pelos métodos empírico e mecanicista para a pista pi sta de pouso e decolagem do Aeroporto Internacional de Fortaleza.
87
Tabela 5.15 – Resumo das estruturas em centímetros pelos métodos empírico e mecanicista Local Material Brasília Aracaju Paulo Afonso Método Empírico (Aeronave de Projeto) Revestimento – CBUQ 12,7 10,1 10,1 Base – Macadame Hidráulico 47,0 39,4 27,9 Subleito (CBR≥20%) Método Mecanicista (Aeronave de Projeto) Revestimento – CBUQ 10,1 10,1 10,1 Base – Macadame Hidráulico 43,1 38,6 32,2 Subleito (CBR≥20%) Mix de Aeronaves) Método Mecanicista ( Mix Revestimento – CBUQ 10,1 10,1 10,1 Base – Macadame Hidráulico 43,9 36,6 32,7 Subleito (CBR≥20%) Fonte: Autor (2013). De acordo com a Tabela 5.15, as estruturas propostas pelos métodos empírico e mecanicista apresentam resultados semelhantes. BRILL et . al. (2004) afirmam que os resultados obtidos pelo software devem ser compatíveis com os resultados r esultados encontrados por intermédio dos ábacos. Nos dimensionamentos em que são considerados os mix de aeronaves, segundo MCQUEEN et . al. (2004) o FAARFIELD apresenta uma estrutura de pavimento menor em subleitos com baixa resistência, CBR menor do que 8%, e uma estrutura similar ao obtida pelos ábacos em subleitos com média, CBR entre 8% e 15%, e alta resistência, CBR superior a 15%. MCQUEEN et . al. (2004) afirmam também que no dimensionamento em que é utilizada apenas uma aeronave, o FAARFIELD propõe uma estrutura, geralmente, inferior em subleitos de resistência baixa e média e uma estrutura ligeiramente maior em subleitos de alta resistência do que as obtidas nos ábacos. Para o mix de aeronaves do Aeroporto Internacional de Brasília, entretanto, há diferença entre os resultados da espessura do revestimento. O dimensionamento pelo método empírico apresenta algumas limitações como a padronização do número e do peso máximo de decolagem nos ábacos. O limite superior do número de decolagens é 25.000 para o ábaco com o tipo de tandem de roda dupla, como no Aeroporto Internacional de Brasília esse número é próximo de 50.000 decolagens anuais, a FAA (1978) recomenda que seja adicionada 1pol (2,54cm) no revestimento asfáltico. Como em todos os mix de aeronaves existem aeronaves com peso máximo de
88
decolagem superior a 100.000lb (45.350kg), a FAA (1978) e a FAA (2009) recomendam que a camada de base seja estabilizada. Foram apresentados três dimensionamentos pelo método mecanicista, o primeiro em que foi considerada a não existência de uma camada de sub-base para a comparação com o método empírico e o segundo dimensionamento utilizada à mesma estrutura do anterior, no entanto considera-se apenas a atuação da aeronave de projeto de cada mix apresentado. O terceiro dimensionamento foi realizado com uma espessura para a camada de sub-base, geralmente material menos nobre do ponto de vista técnico e econômico, fixando as espessuras mínimas para as camadas de base e de revestimento asfáltico. Essa terceira solução apresenta-se como uma solução técnica e economicamente mais viável do que uma estrutura com o revestimento asfáltico e uma base.
89
6
CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES
6.1
Conclusões Os pavimentos aeroportuários são responsáveis pela eficiente e segura
operação de pousos e decolagens em um aeroporto, a ocorrência de falhas estruturais nesses pavimentos colocam em risco a vida de todos os usuários que utilizam essa pista de pouso e decolagem. Assim, os critérios de segurança na elaboração do projeto, na execução da obra e na manutenção do pavimento são rigorosos. O objetivo central desse projeto foi à realização de um estudo que analisasse os resultados dos dimensionamentos dos pavimentos flexíveis aeroportuários pelos métodos empírico e mecanicista da Federal Aviation Administration (FAA). Dessa forma, esse objetivo foi atingido. As análises foram realizadas na estrutura de pavimento flexível da pista de pouso e decolagem do Aeroporto Internacional de Fortaleza considerando três situações de mix de aeronaves diferentes. Para servir de apoio ao estudo, foi realizada a verificação da vida de serviço da estrutura de pavimento considerando os mix de aeronaves do Aeroporto Internacional Juscelino Kubitschek em Brasília, do Aeroporto Internacional Santa Maria em Aracaju e do Aeroporto Regional de Paulo Afonso no estado da Bahia. A verificação resultou em um superdimensionamento para os três casos apresentados. Confirmando que a estrutura estava superdimensionada, foi apresentado o redimensionamento por meio dos métodos empíricos e mecanicistas da FAA. Para auxiliar nesse processo, as metodologias dos métodos foram descritas destacando os principais parâmetros utilizados e as principais modificações ocorridas entre os métodos de dimensionamento da FAA. O dimensionamento pelo método empírico resultou em uma estrutura de pavimentos composta por uma camada de base e uma de revestimento. Dessa forma, o software
FAARFIELD apresentou duas estruturas de pavimento apenas com o
revestimento e camada de base. No primeiro dimensionamento foi considerada apenas a aeronave de projeto com o número de decolagens determinados pelo método empírico, no segundo dimensionamento foi cadastrado todo o mix de aeronaves. Em um terceiro momento, foi apresentada uma solução do ponto de vista técnico e econômico mais eficiente, pois, diferente das outras soluções, foi adicionada e dimensionada uma camada de sub-base a estrutura considerando as espessuras mínimas para as camadas de revestimento e base.
90
Em resumo, foi verificado que a estrutura de pavimento do Aeroporto Internacional de Fortaleza é superdimensionada para os três mix de aeronaves cadastradas. Do ponto de vista técnico-econômico não é recomendável à execução de uma estrutura de pavimento com essas características, pois o software verificou uma vida útil de projeto muito superior a que é recomendada para aeroportos.
6.2
Recomendações Dentre as principais recomendações desse projeto tem-se: a)
A realização de um estudo comparativo entre o dimensionamento proposto pelo FAARFIELD com outros métodos para os três mix de aeronaves apresentados;
b)
O cadastramento de um banco de dados de solos comuns no estado do Ceará com os Módulos de Resiliência (MR);
c)
A verificação da sensibilidade do dimensionamento pelo software a partir da alteração do valor do CBR do subleito e do MR das camadas.
91
REFERÊNCIAS BIBLIOGÁFICAS ABNT. NBR 9895 – Solo - Índice de Suporte Califórnia. Associação Brasileira de Normas Técnicas. Rio de Janeiro. 1987. ALVES, C. J. P. Transporte aéreo e aeroportos. Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA, São José dos Campos, SP. 2012. ANAC. Resistência de pavimentos dos aeródromos – IAC 157-1001. Instrução de Aviação Civil. Agência Nacional de Aviação Civil. Ministério da Defesa. Brasília, DF. 2008. ANAC. Regulamento brasileiro da aviação civil – RBAC nº 154. Agência Nacional de Aviação Civil. Ministério da Defesa. Brasília, DF. 2009. BALBO, J.T. Pavimentação asfáltica. Materiais, projeto e restauração. Oficina de Textos. São Paulo, SP. 2007. BERNUCCI, L. B., MOTTA, L. M. G., CERATTI, J. A. P. e SOARES, J. B.. Pavimentação asfáltica. Formação básica para engenheiros. Petrobras. Abeda. Rio de Janeiro, RJ. 2007. BRILL, D. R., KAWA, I. e HAYHOE, G. F., Development of FAARFIELD Airport Pavement Design Sofware. Transportation Systems Worskop. 2004. DNER. Método de Ensaio ME 254 – Solos compactados em equipamento miniatura – Mini-CBR e Expansão. Departamento Nacional de Estradas e Rodagem. Rio de Janeiro, RJ. 1997. DNIT. Manual de pavimentação. Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes. Rio de Janeiro, RJ. 2006. DNIT. Método de Ensaio ME 134 – Pavimentação – Solos – Determinação do módulo de resiliência – Método de Ensaio. Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes. Rio de Janeiro, RJ. 2010. DIRENG. Avaliação das pistas e pátios. Aeroporto de Fortaleza. Diretoria de Engenharia da Aeronáutica. Ministério da Aeronáutica. Brasília, DF. 1978. DIRENG. Método de Ensaio ME 01-87 – Índice de suporte Califórnia utilizando amostras não trabalhadas. Diretoria de Engenharia da Aeronáutica. Brasília, DF. 1987. DIRENG. Levantamento de Dados de Aeroportos Brasileiros. Diretoria de Engenharia da Aeronáutica. Ministério da Aeronáutica. Brasília, DF. 1991. FAA. Airport Pavement Design and Evaluation. Advisory Circular AC 150/5320-6C. Department of Transportation, Federal Aviation Administration. Washigton, DC. 1978. FAA. Airport Pavement Design and Evaluation. Advisory Circular AC 150/5320-6D. Department of Transportation, Federal Aviation Administration. Washigton, DC, 1995.
92
FAA. Airport Pavement Design and Evaluation. Advisory Circular AC 150/5320-6E. Department of Transportation, Federal Aviation Administration. Washigton, DC, 2009.
FAARFIELD. Versão 1.305. [S.I]: Federal Aviation Administration Rigid and Flexible Iterative Elastic Layered Design, 2009. Disponível em: http://www.airporttech.tc.faa.gov/naptf/download/FAARField/FAARFIELD%202010_09_ 30%20v%201_305.zip>. Acessa em: 20 dez 2012. FONSECA, O.A., Pavimentos Aeroportuários – Dimensionamento. Curso de Pavimentos de Aeroportos. Associação Brasileira de Pavimentação – ABPv. Rio de Janeiro, 2011. HEUKELOM, W.; KLOMP, A.J.G. Dynamic testing as a means of controlling pavements during and after construction. Proceedings, 1 INTERN. CONF. STRUCTUTAL DESIGN OF ASPHALT PAVEMENTS. Univ. Michigan, Ann Arbor, EUA. 1962 HORONJEFF, R. Aeroportos – Planejamento e projeto. McGraw-Hill, McGraw-Hill BookCompany. Rio de Janeiro, RJ. 1966. HORONJEFF, R. & MCKELVEY, F. X. Planning and design of airport. McGraw-Hill, 2010. HVEEN, F.N. Pavement deflectionand fatigue failures. Bulletim 114, p 43-87, 1955. ICAO. Annex 14 to the Convention on International Civil Aviation. Aerodrome Design and Operations. Volume I. 4th Edition. International Civil Aviation Organization. Montreal, Canada. 2004. IATA. Air Transport Market Analysis. International Air Transport Association Montreal, Canada. 2013.
.
INFRAERO. Estudo Preliminar de Infraestrutura – Relatório Técnico (BR.04/100.73/23760/07). Empresa Brasileira de Infraestrutura Aeroportuária. Brasília, DF. 2011. INFRAERO. Anuário Estatístico Operacional 2011. Empresa Brasileira de Infraestrutura Aeroportuária. Brasília, DF. 2012. INFRAERO. Estudo Preliminar de Infraestrutura – Relatório Técnico (AR.01/100.73/01946/04). Empresa Brasileira de Infraestrutura Aeroportuária. Brasília, DF. 2012. INFRAERO. Estudo Preliminar de Infraestrutura – Relatório Técnico (UF.01/100.73/00665/00). Empresa Brasileira de Infraestrutura Aeroportuária. Brasília, DF. 2012. INFRAERO. A Infraero e o desafio do novo Brasil. Empresa Brasileira de Infraestrutura Aeroportuária. Disponível em: . Acessado em 05 jan 2013a.
