por Charles F. McDevitt
Os princípios básicos das barreiras de concreto não são geralmente conhecidos ou compreendidos. As barreiras de concreto parecem ser simples e descomplicadas, mas na realidade são dispositivos de segurança sofisticados.
Formas de Segurança de Concreto
Quando a maioria das pessoas pensa em barreiras de concreto, elas pensam na Barreira de Segurança de Concreto de Nova Jersey (barreiras em forma de NJ ou Jersey). Para os impactos mais comuns em forma de ângulo raso, a forma NJ destina-se a minimizar os danos da chapa metálica, permitindo que os pneus do veículo subam na face inclinada inferior. (Ver figura 1.)
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Para ângulos de impacto mais altos, a forma NJ é na verdade uma barreira multi-estágio. O pára-choques frontal impacta a face superior inclinada e desliza para cima. Esta interação inicia a elevação do veículo. Se o pára-choques estiver relativamente fraco, a parte dianteira começa a esmagar antes que ocorra qualquer elevação. Então, à medida que o veículo se torna mais próximo da barreira, a roda entra em contato com a face inclinada inferior. A maior parte da elevação adicional do veículo é causada pela face inclinada inferior que comprime a suspensão dianteira. No entanto, as forças de esmagamento lateral das rodas proporcionam alguma elevação adicional, particularmente se a face da barreira for rugosa. Portanto, o agregado exposto e outros acabamentos de superfície rugosa devem ser evitados. Os veículos modernos têm distâncias relativamente curtas entre o pára-choques e a roda; como resultado, o contacto do pára-choques é seguido quase imediatamente pelo contacto da roda.
Só é necessário levantar o veículo o suficiente para reduzir o atrito entre os pneus e a superfície pavimentada. Isto ajuda na bancada e no redirecionamento do veículo. Se o veículo for levantado muito alto no ar, ele pode bocejar, inclinar ou rolar, o que pode fazer o veículo rolar quando as rodas entrarem novamente em contato com o solo. De preferência, as barreiras de segurança em forma de concreto devem ser adjacentes a uma superfície pavimentada para que as rodas não possam escavar no solo e causar a capotagem do veículo.
Anos atrás, era prática comum formar um raio de 255 milímetros (10 polegadas) na intersecção das duas superfícies inclinadas para facilitar o deslizamento da barreira. Este raio não é mais necessário para o deslizamento. As modernas máquinas antiderrapantes podem facilmente escorregar barreiras de concreto de até 1320 mm de altura sem um raio.
A “revelação” vertical de 75 mm na base da barreira destina-se apenas a proporcionar uma linha limpa para o recapeamento do asfalto. Esta revelação vertical faz muito pouca alteração na dinâmica do veículo porque tem aproximadamente o mesmo efeito que atingir uma curva de 75 mm.
As aberturas de drenagem na face da revelação não têm um efeito significativo num veículo de impacto. Aberturas mais altas não devem ser usadas porque rodas e pára-choques podem interagir com eles, prendendo e fazendo com que o veículo boceje. Sempre que possível, a drenagem deve ser recolhida ao longo do dedo do pé da barreira, porque uma depressão de drenagem ou um corte na frente de uma forma de segurança de concreto pode causar instabilidade do veículo e levar ao capotamento.
O parâmetro chave de desenho para um perfil de forma de segurança é a distância do solo até o ponto de ruptura da inclinação, porque isso determina o quanto a suspensão será comprimida. Para a forma NJ, esta distância é de 330 mm (13 pol.).
A antiga forma General Motors, ou forma GM, tinha uma distância de 380 mm (15 pol.) do solo até o ponto de ruptura da inclinação. Esta distância mais alta causou o levantamento excessivo dos pequenos carros dos anos 70, tais como o Chevrolet Vega. Após o impacto da forma GM nos testes de colisão, estes pequenos carros tornaram-se instáveis e tinham tendência a capotar. Como resultado, o uso da forma GM foi descontinuado.
A estudo paramétrico (variando sistematicamente os parâmetros) de várias configurações de perfil que foram rotuladas de A a F mostrou que F teve um desempenho claramente melhor do que a forma NJ. Os resultados dessas simulações em computador foram confirmados por uma série de testes de colisão em escala real. A configuração F ficou conhecida como a forma F.
Even embora o desempenho da forma F fosse superior ao desempenho da forma NJ, ela não foi amplamente utilizada. Isto porque os estados estavam bem satisfeitos com a forma NJ, que também satisfazia os critérios do teste de colisão. Além disso, seus empreiteiros não queriam mudar os perfis porque tinham um investimento considerável nas formas necessárias para produzir a forma NJ.
Como mostrado na figura 1, as inclinações da forma F e da forma NJ são as mesmas. A maior diferença é que a distância do solo até o ponto de ruptura da inclinação da forma F é 255 mm — 75 mm mais baixa que a forma NJ. O ponto de ruptura da inclinação inferior reduziu significativamente a elevação do veículo e melhorou muito o desempenho da barreira de betão.
Os perfis em forma de NJ e em forma de F estão intimamente relacionados. Se fizer uma camada de asfalto de 75 mm junto à forma NJ (e cortar mentalmente uma nova camada de 75 mm no betão que permanece acima da superfície do asfalto), converteu a forma NJ numa forma de F. Isto significa que o trabalho de recapeamento do asfalto pode realmente converter a forma NJ num desenho mais seguro. Contudo, estas sobreposições de asfalto reduzirão a altura total da barreira de betão e, consequentemente, a sua eficácia para veículos mais pesados.
Quando um camião de uma só unidade, como um camião de aluguer Ryder ou U-Haul, atinge uma barreira de betão num teste de colisão, rola em direcção à barreira até que a parte inferior do leito do camião venha a descansar no topo da barreira. Isto pára o movimento de rolar. Em seguida, o veículo desliza ao longo da parte superior da barreira até ser redirecionado para cima. Para que isso ocorra, a barreira de concreto deve ter uma altura mínima de 815 mm (32 pol.). Para conter e redirecionar um “18 rodas” ou um trator-reboque em um teste de colisão, uma barreira de concreto deve ter uma altura mínima de 1070 mm (42 pol.). Nessas colisões com caminhões, a trajetória de carga primária é vertical porque a carga é transferida da parte inferior do leito do caminhão ou reboque para o topo da barreira de concreto. Uma barreira de concreto é essencialmente um pilar curto e estocado que pode facilmente resistir a essas cargas verticais.
Porque caminhões, ônibus e outros veículos mais pesados tendem a deslizar ao longo dos topos das barreiras de concreto, é importante manter os topos dessas barreiras livres de sinais, cercas, suportes de luminárias e outros acessórios que possam prender o veículo e fazer com que ele guinche. Quando é necessário fornecer suportes de luminárias em barreiras medianas de concreto, as barreiras podem ser tornadas mais espessas no topo, nas proximidades do suporte da luminária, e queimadas nas laterais para fornecer uma seção de transição lateral suave para o veículo de impacto.
Barreiras de Segurança de Concreto de Alto Desempenho
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Barreiras de concreto mais altas são às vezes usadas como barreiras de caminhão e para fornecer uma tela de brilho integral nas barreiras medianas de concreto (CMB). O convés de um tractor-reboque está localizado cerca de 1350 mm (53 pol.) acima do solo. Como o convés é um membro estrutural forte e rígido, ele pode produzir forças laterais significativas quando impacta uma barreira de concreto. Portanto, qualquer barreira de concreto que seja superior a 1320 mm (52 pol.) deve ter algum reforço perto de seu topo – nem que seja apenas para evitar que o concreto se espalhe no tráfego em sentido contrário. Alguns estados têm telas brilhantes de concreto escorregadio em cima de barreiras de concreto existentes. Normalmente, essas telas de concreto com brilho contêm alguma armadura para evitar derramamento.
Para conter e redirecionar um petroleiro de 36.000 kg de gasolina após impactos em ângulos e velocidades elevadas, é necessária uma barreira de concreto de 2290 mm (90 pol.).
A New Jersey Turnpike Authority (NJTA) testou o impacto e desenvolveu uma barreira mediana de concreto de 1070-mm (42″) de altura que pode conter e redirecionar com segurança os trator-reboques para uma posição vertical. Esta barreira é feita com as formas em forma de NJ. A revelação vertical de 75 mm é coberta com asfalto para ancorar a barreira contra capotagem. (Ver figura 2.) Isto transforma o perfil da barreira num perfil em forma de F que não tem uma revelação vertical. A Barreira Mediana de Veículos Pesados da NJTA tem uma espessura de 305 mm (12″) no topo. É fortemente reforçada.
A Barreira Mediana do Ontário é uma barreira mediana de betão de 1070 mm de altura com o mesmo perfil, mas sem reforço. Um teste de impacto com um tractor-reboque de 36.000 kg a 85,3 quilómetros por hora (53 milhas por hora) e um ângulo de impacto de 15 graus demonstrou que o reforço não era necessário ecausar a Parede Alta do Ontário é de 305 mm na parte superior. Embora as fissuras de contração do concreto se formassem verticalmente a cada 2440 a 3355 mm (8 a 11 pés) e penetrassem completamente através da seção transversal da barreira, a área da seção transversal e o intertravamento do agregado eram suficientes para transferir todas as forças de impacto lateral através das seções transversais fissuradas.
As sobreposições asfálticas de 75 mm de espessura que ancoravam ambos os lados dessas barreiras medianas de alto desempenho não se separaram do concreto durante os testes de impacto com os trator-reboques. Outros testes de colisão mostraram que sobreposições asfálticas de 25,4 mm de espessura em ambos os lados de barreiras medianas de concreto de 815 mm de espessura são suficientes para ancorá-las para impactos com carros de passageiros e ônibus.
Muitos estados usam barreiras de forma de segurança de concreto que têm apenas 150 mm de espessura ou 200 mm de espessura na parte superior. Tractores-reboques podem quebrar uma peça de betão em forma de V nas juntas de construção e subir no topo destas barreiras. No entanto, esta é uma ocorrência tão rara que a maioria dos estados não acha economicamente viável a utilização de barreiras mais espessas ou aumentar o reforço nas proximidades das juntas.
Semi-reboques-cisterna a gasolina não têm nenhum elemento estrutural exposto entre as rodas e o tanque, que está centrado cerca de 1980 mm (78 in) acima do solo. Em outras palavras, não há nada para a barreira de empurrar entre as rodas e a cisterna. As rodas de 1070 mm podem interagir com uma barreira de betão de 1070 mm de altura e redireccionar o veículo em impactos de ângulo raso. (Veja figura 2.) Entretanto, para conter e redirecionar um tanque de gasolina de 36.000 kg após impactos em ângulos e velocidades mais altas, é necessária uma barreira de concreto superior de 2290 mm (90″).
Parapeitos de concreto verticais
Quando uma forma de segurança de concreto levanta um veículo, parte da energia cinética do veículo é convertida em energia potencial. Esta energia potencial é convertida novamente em energia cinética à medida que o veículo volta ao solo.
Paredes verticais de parapeitos de betão não têm esta característica de gestão de energia, mas os testes de colisão demonstraram que podem funcionar de forma aceitável como barreiras de tráfego. Toda a absorção de energia em um impacto com uma parede vertical rígida é devida ao esmagamento do veículo. Os pára-choques geralmente não deslizam pelas paredes verticais de concreto e levantam o veículo, portanto, as quatro rodas tendem a ficar no chão. Isto minimiza o potencial de capotamento do veículo. Como o veículo não é levantado e inclinado pela face vertical, isso também aumenta a possibilidade da cabeça do motorista passar por uma janela lateral e entrar em contato com a barreira vertical.
As rodas do veículo são projetadas principalmente para suportar cargas verticais, não cargas horizontais. As trajectórias dos veículos de passageiros após o choque com as barreiras verticais de betão podem ser incertas devido aos danos nas rodas que podem ocorrer quando o eixo dianteiro entra em contacto com a barreira.
Barreiras de betão de inclinação constante
A necessidade de ter um perfil de barreira de inclinação única que tenha um desempenho mais consistente do que uma parede de concreto de superfície vertical levou ao desenvolvimento de barreiras de inclinação constante. Tanto as barreiras de declive constante como as paredes verticais de betão podem facilitar o repavimentação porque o seu desempenho é insensível à espessura da camada de asfalto. Isto é particularmente vantajoso na construção de barreiras em rampas curvas e para operações de repavimentação que, de outra forma, exigiriam a reposição das barreiras de segurança em forma de concreto. Até 255 mm (10 pol.) de sobreposição podem ser feitas antes da altura da barreira ser reduzida para 815 mm (32 pol.).
A Barreira de Inclinação Constante do Texas tem uma altura de 1070 mm (42 pol.) e uma face de inclinação constante que faz um ângulo de 10,8 graus em relação à vertical. (Ver figura 3.) Foi originalmente testada e desenvolvida para ser usada como barreira temporária de concreto, mas tem sido amplamente utilizada como uma barreira mediana permanente de concreto.
Califórnia desenvolveu um perfil de inclinação constante que faz um ângulo de 9,1 graus em relação à vertical. Este está mais próximo da inclinação de 6 graus nas faces superiores do perfil NJ e do perfil F. A Califórnia utilizou este perfil de inclinação constante para a sua barreira rodoviária tipo 60 de 1070 mm de altura e para a sua ponte ferroviária tipo 70.
Os testes de impacto indicam que o desempenho da Barreira de Inclinação Constante do Texas é comparável ao da Barreira de Inclinação NJ e o desempenho da Barreira de Inclinação Constante da Califórnia é comparável ao da Barreira de Inclinação F. Estas barreiras de inclinação constante foram ambas testadas com o caminhão de 8000 kg (18.000 lb) de acordo com o Relatório 350 da NCHRP, e são ambas barreiras de Nível de Teste Quatro (TL-4). Até hoje, as barreiras de inclinação constante não foram testadas com reboques trator ou outros veículos pesados; portanto, seus limites superiores de desempenho não foram estabelecidos.
Barreiras de concreto portáteis
Barreiras de concreto portáteis (PCBs) melhoraram muito a segurança nas zonas de trabalho de construção. As placas de circuito impresso são feitas de secções pré-fabricadas de forma de segurança de betão unidas entre si para formar uma barreira longitudinal contínua. Como as barreiras de concreto portáteis são principalmente destinadas a evitar que veículos errantes batam nos trabalhadores da construção, a deflexão lateral dinâmica dessas barreiras deve ser mantida a um mínimo. Em geral, a deflexão da barreira pode ser minimizada utilizando segmentos de barreira mais longos e utilizando juntas que podem desenvolver um momento de flexão de 6913 kg-m (50 kip-ft) ou mais.
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Esta barreira de concreto portátil de 510-mm- (20-em-) de altura, desenvolvida pelo Departamento de Transportes do Texas, tem uma inclinação inversa que é de 2,8 graus (1 em 20) em relação à vertical. Esta barreira de concreto de baixo perfil foi testada com sucesso com uma caminhonete a 72 km/h (45 mi/h).
As conexões de pinos e laços são muito populares porque podem facilmente acomodar curvaturas horizontais e mudanças no grau vertical. No entanto, elas só podem desenvolver a capacidade de flexão-momento após a junta ter sofrido uma quantidade significativa de rotação. Uma arruela ou contrapino na extremidade inferior do pino de aço é necessário para evitar que o pino salte verticalmente para fora das alças após o impacto. Os laços feitos de barras de reforço são melhores que os laços de arame porque podem resistir a rotações torcionais das barreiras nas juntas. Puxar os segmentos da barreira e ancorar os segmentos finais ao solo também são muito úteis para reduzir a deflexão lateral. A ancoragem de cada segmento de barreira com pinos de aço acionados no solo é muito eficaz, mas é trabalhosa e torna a barreira menos portátil.
Barreiras de concreto de perfil baixo
Se uma face inclinada em uma barreira de concreto pode levantar um veículo, então é lógico que uma inclinação no sentido contrário pode tender a segurar o veículo para baixo empurrando o pára-choques para baixo. Uma barreira de concreto portátil de 510 mm (20″) de altura foi desenvolvida pelo Departamento de Transportes do Texas para uso em zonas de trabalho e interseções nas quais a distância de visão do motorista seria bloqueada por uma barreira mais alta. A inclinação inversa é de 2,8 graus (1 em 20) em relação à vertical. Esta barreira de concreto de baixo perfil foi testada com sucesso com uma caminhonete a 72 km/h (45 mi/h). Não foi testada em velocidades mais altas ou com veículos maiores.
Conclusão
Cada um destes tipos de barreira de concreto preenche um nicho e ajuda a atender as necessidades das agências rodoviárias que selecionam, projetam e localizam as barreiras de tráfego. Em termos de desempenho de segurança, o formato F de 1070 mm (42″) é atualmente a nossa melhor tecnologia. O perfil em forma de F é claramente superior ao perfil em forma de NJ e está gradualmente sendo usado por mais estados tanto para barreiras de concreto portáteis quanto para barreiras permanentes.
Charles F. McDevitt é engenheiro estrutural do Escritório de Pesquisa e Desenvolvimento de Segurança da Administração Rodoviária Federal no Centro de Pesquisa Rodoviário Turner-Fairbank em McLean, Va. Ele tem 39 anos de experiência na concepção, teste e desenvolvimento de novos produtos. Ele entrou para a Administração Rodoviária Federal em 1978. Nos últimos 22 anos, ele tem trabalhado no desenvolvimento de novas e melhores barreiras de tráfego. Ele tem mestrado em engenharia civil pela Universidade da Pensilvânia, e é um engenheiro profissional registrado na Pensilvânia.