ENGENHARIA DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES uma integração multimodal

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Hoel · Garber · Sadek Engenharia de infraestrutura de transportes Uma integração multimodal

Hoel · Garber · Sadek

Engenharia de infraestrutura de transportes Uma integração multimodal A característica peculiar deste livro é a sua abordagem multimodal e integrada dos sistemas de transporte, fundamentada na engenharia de transportes. A seleção dos tópicos dos capítulos engloba as áreas profissionais mais importantes, incluindo o transporte na sociedade; os modelos de sistemas; as características dos condutores, dos veículos e da via; a análise da capacidade; o planejamento e a avaliação; o projeto geométrico das vias; o projeto estrutural do pavimento; a segurança e a tecnologia da informação. Engenharia de Infraestrutura de Transporte fornece uma visão geral do transporte em vez de enfatizar um modo específico em detalhes. aplicações Este livro-texto destina-se aos cursos de Engenharia de Transportes que enfatizam os sistemas de transporte a partir de uma perspectiva global. Pode ser adotado como manual para um curso introdutório ou de nível superior avançado e para o primeiro ano dos cursos de pós-graduação.

Engenharia de infraestrutura de transportes Uma integração multimodal Lester A. Hoel Nicholas J. Garber Adel W. Sadek

Ciência e engenharia dos materiais Donald R. Askeland e Pradeep P. Phulé Fundamentos de engenharia geotécnica Tradução da 7ª edição norte-americana Braja M. Das Fundamentos da engenharia econômica e da análise econômica de projetos Oswaldo Fadigas Fontes Torres

ISBN 13 978-85-221-1075-9 ISBN 10 85-221-1075-1

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9 788522 110759

Introdução à engenharia ambiental Tradução da 2ª edição norte-americana P. Aarne Vesilind e Susan M. Morgan Introdução à engenharia mecânica Tradução da 2ª edição norte-americana Jonathan Wickert


Engenharia de infraestrutura de transportes Uma integração multimodal Lester A. Hoel University of Virginia Nicholas J. Garber University of Virginia Adel W. Sadek University of Vermont Revisor Técnico Carlos Alberto Bandeira Guimarães Formado em Engenharia Civil e Mestre em Transportes pela Escola de Engenharia de São Carlos da USP e Doutor em Engenharia Mecânica pela UNICAMP. Professor da Área de Estradas e Aeroportos do Departamento de Geotécnica e Transportes da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da UNICAMP.

Tradução All Tasks

Austrália • Brasil • Japão • Coreia • México • Cingapura • Espanha • Reino Unido • Estados Unidos

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Dedicatória Este livro é dedicado às nossas esposas, Unni, Ada e Marianne e às nossas filhas Sonja, Lisa e Julie Valerie, Elaine e Allison Maria Raphaela com profundos agradecimentos pelo apoio, ajuda e incentivo que recebemos durante a composição deste livro.

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Sumário

Prefácio à edição SI xi Capítulo 1 – Visão geral do transporte 1 Transporte e sociedade 1 Oportunidades de carreira no setor de transportes 6 História do transporte 8 Resumo 17

Capítulo 2 – Modelos de sistemas de transporte 21 Sistemas e suas características 21 Componentes dos sistemas de transporte 22 Ferramentas e técnicas para análise dos sistemas de transporte 24 Resumo 67

Capítulo 3 – Características dos usuários, dos veículos e da via 75 Características dos usuários 76 O processo de resposta humana 77 Características do comportamento do passageiro nos terminais de transporte 80 Características do veículo 81 Características das vias 104 Resumo 120

Capítulo 4 – Análise da capacidade do transporte 125 Conceito de capacidade 125 Conceito de nível de serviço 126 Capacidade das rodovias 127 Capacidade do transporte público 149

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Engenharia de infraestrutura de transportes

Infraestrutura para pedestres 179 Infraestruturas para bicicletas 189 Capacidade das pistas de pouso e decolagem de um aeroporto 196 Resumo 204

Capítulo 5 – Planejamento e avaliação do transporte 215 Contexto para o planejamento de transporte multimodal 216 Fatores na escolha de uma modalidade de transporte de cargas ou de passageiros 218 Processo de planejamento do transporte 225 Estimativa da demanda futura de viagens 235 Avaliação das alternativas de transporte 244 Resumo 248

Capítulo 6 – Projeto geométrico das vias de transporte 253 Classificação das vias de transporte 253 Sistema de classificação de rodovias e de vias urbanas 253 Classificação das pistas de pouso e decolagem de aeroportos 256 Classificação das pistas de rolamento de aeroportos 258 Classificação das vias férreas 261 Padrões de projeto para as vias de transporte 262 Padrões de projeto de pistas de pouso/decolagem e de rolamento de aeroportos 272 Padrões de projeto de vias férreas 281 Projeto de alinhamento vertical 285 Projeto de alinhamento horizontal 300 Determinação da orientação e do comprimento de uma pista de pouso e decolagem de aeroportos 328 Resumo 343

Capítulo 7 – Projeto estrutural das vias de transporte 349 Componentes estruturais das vias de transporte 349 Princípios gerais do projeto estrutural das via de transporte 352 Resumo 457

Capítulo 8 – Segurança no transporte 465 Questões envolvidas na segurança do transporte 466 Coleta e análise de dados de colisões 471 Melhorias de segurança de alta prioridade 487 Segurança rodoviária: quem está em risco e o que pode ser feito? 497 Segurança no transporte comercial: uma abordagem de equipe 499 Resumo 506

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Sumário

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Capítulo 9 – Transporte inteligente e tecnologia da informação 511 Sistemas de gerenciamento de incidentes e de via expressa 512 Sistemas de controle avançado de tráfego (ATC) 547 Sistemas de transporte público avançados 559 Sistemas de informações ao viajante multimodal 562 Tecnologias avançadas para ferrovias 563 Resumo 563

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Prefácio à edição SI

Esta edição de Engenharia de Infraestrutura de Transporte: uma integração multimodal foi adaptada para incorporar o Sistema Internacional de Unidades (Le Système International d’Unités ou SI) ao longo do livro.

Le Système International d’Unités O Sistema Tradicional dos Estados Unidos (USCS) utiliza as unidades FPS (pé-libra-segundo), também conhecidas como Unidades Inglesas ou Imperiais. As unidades do SI são principalmente as do sistema MKS (metroquilograma-segundo). No entanto, as unidades CGS (centímetro-grama-segundo) são frequentemente aceitas como as do SI, especialmente em livros didáticos.

Utilização das unidades do SI Neste livro, utilizamos as unidades MKS e CGS. As unidades USCS ou FPS da edição americana foram convertidas em unidades do SI em todo o texto e problemas. No entanto, no caso de dados provenientes de manuais, normas governamentais e manuais de produto, além de ser extremamente difícil converter todos os valores no SI, a propriedade intelectual da fonte também é invadida. Além disso, algumas quantidades, como o número do tamanho de grão ASTM e as distâncias Jominy, são geralmente calculadas em unidades FPS e perderiam sua relevância se convertidas no SI. Alguns dados em figuras, tabelas, exemplos e referências, portanto, permanecem em unidades FPS. Para os leitores não familiarizados com a relação entre os sistemas FPS e SI, tabelas de conversão foram disponibilizadas na parte interna da capa e contracapa do livro. Para resolver problemas que exigem o uso de dados da fonte, os valores da fonte podem ser convertidos das unidades FPS em unidades do SI um pouco antes de serem utilizados em um cálculo. Para obter as quantidades padronizadas e os dados dos fabricantes em unidades do SI, os leitores podem contatar as agências ou as autoridades do governo em seus países/regiões.

Introdução Este livro destina-se a ser um recurso para os cursos de Engenharia de Transportes que enfatizam o transporte em uma perspectiva global do sistema. Pode servir como manual para um curso introdutório ou de nível

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superior avançado e para o primeiro ano dos cursos de pós-graduação. O aspecto peculiar deste livro é a sua característica multimodal e integrativa, que abrange amplamente os sistemas de transporte. Seu objetivo é fornecer uma visão geral dos transportes do ponto de vista multimodal, em vez de detalhar um modo específico. Este livro também difere dos outros que reivindicam o domínio da engenharia de transportes. Alguns textos incluem a “Engenharia de Transportes” em seus títulos, mas tratam de rodovias, com algumas menções sobre o transporte público. Outros dedicam capítulos separados ou seções a vários modos, como o tráfego aéreo e o transporte de massa, com pouca integração ou demonstração das semelhanças e diferenças que possam existir de um para outro. Alguns deixam de fornecer um contexto que inclui a história do transporte, o seu papel na sociedade e a sua vocação. Este livro ressalta a explicação do ambiente em que o transporte funciona e, assim, apresenta a “visão macro” para ajudar os alunos a compreender por que os sistemas de transporte funcionam dessa forma e os seus papéis em uma sociedade global. A abordagem aqui utilizada é discutir os conceitos básicos no transporte e como eles foram aplicados aos vários modos. Como cada modalidade inclui veículos e a via em que trafegam, referimo-nos a essa rota, seja rodovia, ferrovia, pista de voo ou rota marítima, como a “via de percurso”. Assim, por exemplo, o capítulo sobre geometria da via de percurso descreve as semelhanças e diferenças nos princípios de projeto para o transporte aéreo, ferroviário e rodoviário e explica como eles são usados na prática. O livro-texto está organizado em torno dos fundamentos no campo da engenharia de transportes. A seleção dos tópicos do capítulo é destinada a cobrir as áreas profissionais importantes da engenharia de transportes. Essas áreas incluem uma visão geral do transporte na sociedade; modelos de sistemas de transporte; características do condutor, do veículo e da via de percurso; análise da capacidade; planejamento e avaliação; projeto geométrico das vias de percurso; projeto estrutural dos pavimentos; segurança e tecnologia da informação no transporte. A abordagem pedagógica utilizada neste livro é o uso extensivo de exemplos resolvidos em cada capítulo que ilustram o material de texto, um conjunto de problemas de lição de casa disponibilizado no final de cada capítulo, bem como um resumo e uma lista de sugestões para outras leituras. A conclusão deste livro-texto não teria sido possível sem a ajuda e o apoio de muitos indivíduos e organizações. Em primeiro lugar, os nossos agradecimentos aos que serviram como revisores dos rascunhos de manuscritos: Murtaza Haider, Stephen P. Mattingly, Carroll J. Messer e outros que preferiram permanecer anônimos. Agradecemos também a ajuda de John Miller e Rod Turochy, que apresentaram comentários em capítulos específicos. Agradecimentos especiais a Jane Carlson e Hilda Gowans, que serviram como nossas editoras e trabalharam conosco durante todo o projeto. Estamos gratos também às organizações profissionais que permitiram que incluíssemos materiais de seus manuais e publicações, assegurando, assim, que os profissionais de transportes emergentes aprendessem o que há de mais moderno sobre transportes, tanto teoricamente como na prática. Essas organizações são: American Association of State Highway and Transportation Officials, Institute of Transportation Engineers, Portland Cement Association, Eno Transportation Foundation, Transportation Research Board of the National Academies, American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association, Association of American Railroads e U.S. Department of Transportation.

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Capítulo

Visão geral do transporte

O objetivo deste capítulo é descrever o contexto para o transporte em termos de sua importância para a sociedade e as questões levantadas pelos impactos criados quando novos sistemas de transporte e serviços são fornecidos. O capítulo também descreve o tipo de oportunidades de emprego disponíveis na indústria do transporte, com ênfase no setor de infraestrutura. Visto que a popularidade e o uso das modalidades de transporte – como hidro­viário, ferroviário, aéreo, rodoviário (automóveis e caminhões) – mudarão ao longo do tempo, sua história também é resumida, com ênfase na revolução dos transportes desde o início dos anos 1800 até os dias de hoje.

Transporte e sociedade A finalidade do transporte é fornecer um mecanismo para a troca de bens, de informações, deslocamento de pessoas, e para apoiar o desenvolvimento econômico da sociedade. O transporte fornece os meios para viagens de negócios, exploração ou realização pessoal e é uma condição necessária para as atividades humanas, como comércio, recreação e defesa. Ele é definido como o movimento de pessoas e bens para atender às necessidades básicas da sociedade que demandam mobilidade e acessibilidade. Há muitos exemplos de deslocamentos que ocorrem diariamente: uma família viaja para outro país buscando uma vida melhor; uma emergência médica requer a transferência imediata de um paciente para o hospital; um executivo de vendas atravessa o país para participar de uma conferência sobre gestão de negócios; uma carga de produtos frescos é entregue a um supermercado; trabalhadores viajam de suas casas para os seus locais de trabalho. A qualidade do transporte afeta a capacidade de a sociedade utilizar seus recursos naturais de mão de obra e/ou materiais. O transporte também influencia a posição competitiva em relação a outras regiões ou nações. Sem a capacidade de transportar com facilidade seus produtos, uma região pode se tornar incapaz de oferecer bens e serviços a um preço competitivo e, portanto, reduzir ou perder sua participação de mercado. Por meio da prestação de serviços de transporte segura, confiável, rápida, com capacidade suficiente e a um preço 1

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competitivo, um estado ou nação poderão expandir sua base econômica, entrar em novos mercados e importar mão de obra qualificada. Todas as nações e regiões desenvolvidas, com uma forte base econômica, têm investido em serviços de transporte de alta qualidade. Nos séculos XVIII e XIX, países como Inglaterra e Espanha, com forte presença marítima, tornaram-se os governantes de vastos impérios coloniais e estabeleceram o comércio internacional com as rotas de comércio para a América do Norte, Índia, África e Extremo-Oriente. No século XX, os países que se tornaram líderes na indústria e no comércio, como Estados Unidos, Canadá, Japão e Alemanha, contaram com modernas redes de transporte marítimo, terrestre e aéreo. Esses sistemas reforçam a capacidade de suas indústrias para transportar bens manufaturados, matérias-primas e conhecimentos técnicos, e, assim, maximizar a vantagem comparativa sobre os outros concorrentes. No século XXI, a tecnologia da informação e a integração das modalidades terrestres, marítimas e aéreas ajudaram a criar uma economia global. Para os países sem recursos naturais, o transporte é essencial para garantir a importação de matérias-primas necessárias para a fabricação de automóveis, eletrônicos e outros produtos de exportação. Sistemas de transporte integrados e modernos são uma necessidade, mas não a garantia de desenvolvimento e prosperidade econômica. Sem os serviços competitivos de transporte, o potencial econômico de uma região torna-se limitado. Para ter sucesso, uma região deve ser dotada de recursos naturais ou humanos, infraestrutura (como instalações de água, energia e esgoto), capital financeiro, habitação adequada e forte defesa militar. Quando essas condições estiverem adequadas, o crescimento econômico dependerá da qualidade do sistema de transporte interno, que consiste em rodovias, ferrovias, companhias aéreas, transportes marítimos e portos. Além disso, dependerá da qualidade das ligações multimodais com o resto do mundo, incluindo todos os serviços de transporte. Um bom sistema de transporte oferece muitos benefícios à sociedade, além de seu papel no desenvolvimento econômico. Os avanços nos transportes têm contribuído para a qualidade de vida e expandido as oportunidades na busca da felicidade, um direito dos norte-americanos declarado por Thomas Jefferson na Proclamação da Independência. Os sistemas modernos de transporte têm proporcionado ao mundo um grau de mobilidade sem precedentes. Em contraste com o passado, hoje podemos viajar de automóvel, trem, navio ou avião para qualquer parte do país ou do mundo, a fim de visitar amigos e parentes ou a turismo. Podemos também alterar nossas condições atuais de vida, deslocando-nos para outro lugar. Em decorrência do bom sistema de transporte, os cuidados com a saúde melhoraram drasticamente; por exemplo, os medicamentos, transplantes e equipamentos médicos podem ser transportados em situações de emergência a um hospital remoto, ou os pacientes podem ser removidos rapidamente para centros médicos especializados. As melhorias no transporte têm contribuído para o declínio mundial da fome, pois, quando há escassez de alimentos em decorrência da miséria, guerras ou do clima, os transportes aéreo e marítimo são fundamentais para o reabastecimento. Outros benefícios para a sociedade abrangem a extensão da expectativa de vida, melhores oportunidades para a educação superior e de formação técnica, o aumento da renda e dos padrões de vida, maiores opções de recreação, redução das desigualdades na educação e no emprego, e maior participação em experiências multiculturais em todo o mundo. Os benefícios de oferecer à sociedade melhores condições de transporte, quer sejam justificados com base no desenvolvimento econômico ou na mobilidade, não são obtidos sem um preço. Os custos para a sociedade são diretos e indiretos. Os primeiros incluem as despesas operacionais e de capital, o direito de passagem, de instalações e de manutenção. Os segundos compreendem os impactos ambientais, congestionamento, danos materiais, lesões e mortes. Nos Estados Unidos, a construção dos 75.140 km do Sistema Nacional de Rodovias Interestaduais e de Defesa (chamado Sistema Interestadual Dwight D. Eisenhower) começou em 1956, e levou 40 anos para ser concluída, ao custo total de 130 bilhões de dólares. Outros projetos importantes são o Canal

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do Panamá, concluído em 1914 (Figura 1.1), e a ferrovia transcontinental, concluída em 1869 (Figura 1.2). Ambos exigiram o gasto de vastas somas de dinheiro e a contratação de milhares de trabalhadores. Em tempos mais recentes, o “Big Dig”, em Boston,1 que substituiu uma horrorosa via elevada por um sistema de túneis, custou mais de 14 bilhões de dólares e levou dez anos para ser concluído.

Figura 1.1 – U.S.S. Arizona nas eclusas do Canal do Panamá, 1921.

Os viajantes arcam com os custos de transporte quando ocorrem acidentes ou desastres. Esses eventos tendem a ser pouco frequentes, mas, quando acontecem, servem como um lembrete dos riscos envolvidos. Cada modalidade de transporte traz à memória um grande desastre. Exemplos são o naufrágio do Titanic, em 1912 (Figura 1.3), que vitimou 1.500 pessoas, um assunto que fascina até hoje, e o acidente com o zepelim Hindenburg, que explodiu em chamas enquanto atracava após um voo transatlântico da Alemanha a Lakehurst, Nova Jersey (EUA), em 1936. Os desastres aéreos dos tempos modernos, embora raros, são dramáticos e catastróficos, como os voos United 718 e TWA 2, de Los Angeles, que colidiram no Grand Canyon em 1956, matando 128 passageiros e tripulantes, e a explosão e queda do voo 800 da TWA, em 1996, durante a decolagem de Nova York para Paris, em que 230 vidas foram perdidas. Os desastres aéreos são investigados pelo Conselho de Segurança de Transporte Nacional, do Departamento de Transporte dos Estados Unidos, para determinar a causa e aprender como tais tragédias podem ser evitadas. Os acidentes rodoviários também têm um custo significativo, e nos Estados Unidos resultam na perda de mais de 40 mil vidas a cada ano. Big Dig é o nome não oficial do Central Artery/Tunnel Project (CA/T), um grande empreendimento para direcionar a Central Artery (Interestadual 93), rodovia principal de acesso controlado que cruza o coração de Boston, Massachusetts, para um túnel sob a cidade, substituindo uma antiga via elevada. O projeto também inclui a construção do túnel Ted Williams (ampliação da Interestadual 90 para o Aeroporto Internacional Logan) e da ponte Zakim Bunker Hill sobre o rio Charles.

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Figura 1.2 – Conclusão da ferrovia transcontinental, 1869.

Os impactos ambientais causados pelo transporte incluem ruído, poluição do ar e da água, efeitos climáticos de longo prazo do monóxido de carbono e de outros poluentes gerados pelos motores de combustão interna, transtornos às áreas pantanosas, profanação da beleza natural e desmembramento dos habitats naturais. Esses impactos são profundos e têm estimulado a legislação ambiental no sentido de atenuar os danos potenciais. O impacto dos transportes sobre a sociedade pode ser ilustrado com as seguintes afirmações: • Os gastos relacionados ao transporte representam aproximadamente 17,5% do Produto Interno Bruto (PIB) dos Estados Unidos. • Quase 100% da energia utilizada para tração dos veículos de transporte é derivada de recursos petrolíferos. • Mais de 50% de todos os produtos do petróleo consumidos nos Estados Unidos são para fins de transporte. • Mais de 80% dos motoristas qualificados são licenciados para operar um veículo motorizado. • Cada pessoa nos Estados Unidos viaja uma média de 19.300 km por ano. • Mais de 10% da força de trabalho dos Estados Unidos estão empregadas em uma atividade relacionada com o transporte. • Nos Estados Unidos existem mais de 6 milhões de quilômetros de rodovias pavimentadas, das quais cerca de 1,2 milhão de quilômetros são utilizados para viagens intermunicipais. • Existem aproximadamente 177.000 km de estradas de ferro, 10 mil aeroportos, 42.000 km de hidrovias, e 343.000 km de dutovias. O uso do solo, que é a organização das atividades no espaço, está intimamente inter-relacionado com o transporte, pois a viagem acontece de um tipo de uso de solo para outro (por exemplo: da residência para o trabalho,

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Figura 1.3 – Titanic, construído em 1911.

ou da fábrica para um armazém). Diversas opções de transporte que foram dominantes no passado ilustram as relações entre o uso do solo e o transporte e como eles mudaram ao longo do tempo. Quando caminhadas e o deslocamento em cavalos eram as modalidades de transporte predominantes, os usos do solo localizavam-se próximos uns dos outros, e muros cercavam muitas cidades. Quando as estradas de ferro e o transporte ferroviário de massa dominavam, as formas deste uso assumiram um padrão em formato radial. O centro da cidade, com sua atividade comercial e industrial, era o ponto focal, e as residências ficavam ao longo das vias radiais. Surgiram padrões de uso do solo altamente concentrados e densos em cidades como Nova York, Filadélfia, Boston e Chicago, a partir do momento em que o transporte ferroviário foi nelas disponibilizado. Quando o automóvel surgiu, os padrões de uso do solo poderiam ser menos densos e mais difusos, tendo em vista que as estradas podiam ser construídas quase em qualquer lugar. Com a construção do Sistema Nacional de Rodovias Interestaduais, surgiram os subúrbios e o desenvolvimento comercial já não era mais confinado às regiões centrais da cidade. Hoje, o padrão típico de uso do solo é espalhado, de baixa densidade e homogêneo. Da mesma forma, as cidades, que já foram confinadas em locais ao longo do litoral, lagos, rios e terminais ferroviários, podem estar localizadas quase que em qualquer lugar no país. Novas formas de transporte, como o transporte aéreo e o rodoviário interestadual, criaram acessibilidade por toda a parte e permitiram a criação de cidades em locais onde antes eram inviáveis. Nos Estados Unidos, os governos municipais e os cidadãos são responsáveis pelas decisões sobre o uso do solo em nível local. As decisões de investimentos em instalações de transporte são normalmente de responsabilidade dos governos estaduais e federais e de grandes empresas. Consequentemente, a falta de coordenação do uso do solo e do planejamento do transporte muitas vezes resulta em ineficiências na alocação de recursos, tanto para um como para o outro.

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Oportunidades de carreira no setor de transportes Os quatro principais modos de transporte são o aéreo, o hidroviário, o ferroviário e o rodoviário. Cada modo ou modalidade tem um mercado estabelecido, e as modalidades competem entre si, mas também cooperam uma com a outra. O mundo sofreu alterações profundas no tempo de viagem ao longo dos séculos passados. No início do XIX, uma viagem de 500 km levava 12 dias por diligência. Com a tecnologia de transporte desenvolvida, os tempos de viagem foram sucessivamente reduzidos para sete dias por via fluvial, oito horas por via férrea, cinco horas de automóvel e 50 minutos por via aérea. No século XXI, os profissionais de transpor­te terão de enfrentar novos desafios, incluindo o desenvolvimento de novas tecnologias, comunicações, a busca por opções de energia para substituir os combustíveis fósseis e as questões complexas do meio ambiente, financiamento e desregulamentação. Assim, as oportunidades profissionais que existirão na área de transportes neste século são muito promissoras. Os aspectos gerenciais do transporte de mercadorias, conhecidos como logística empresarial, ou pesquisa operacional, estão relacionados à movimentação e à armazenagem de mercadorias entre a principal fonte de matérias-primas e a localização do produto acabado. Essa área de especialização profissional, considerada um elemento da administração de empresas, tem crescido em importância à medida que os armadores e as transportadoras procuram minimizar seus custos de transporte, utilizando combinações de modalidades e serviços que ofereçam a melhor combinação de atributos, incluindo o tempo de viagem, custo, confiabilidade, frequência e segurança. Normalmente, gerentes de logística são formados em um ambiente de negócios, mas também podem sê-lo em programas acadêmicos de sistemas e operações de transporte. Um grande segmento da indústria do transporte trata de projeto e fabricação de veículos, incluindo aviões, automóveis e caminhões, locomotivas a diesel, ônibus e vagões ferroviários, navios e dutos. Esse segmento da indústria é especializado, e várias grandes empresas americanas, como Boeing, General Motors e Westinghouse desempenham papéis de liderança. Muitas outras nações, como França, Japão, Alemanha, Itália, Grã-Bretanha, Suécia e Canadá, para citar algumas, também fabricam veículos de transporte. O design e a fabricação de veículos envolvem a aplicação de sistemas mecânicos, elétricos e proficiência em engenharia de computação. Exigem também o emprego de mecânicos tecnicamente treinados e trabalhadores da produção de diversas outras áreas. O setor de transportes emprega muitos trabalhadores nas indústrias de serviço. Para as modalidades de passageiros, os empregos são para assistentes de voo, condutores de trem, comissários de navio, agentes de viagens, carregadores, técnicos de manutenção e agentes de bilheteria. Nas modalidades de carga, os empregos são para despachantes, caminhoneiros, trabalhadores em pátios de ferrovias, marinheiros, estivadores e guardas de segurança. A manutenção e a prestação de serviços para uma vasta frota de veículos exigem mão de obra técnica e qualificada, para servir desde um automóvel pessoal até um Boeing 747. O abastecimento de milhões de veículos automotores, bem como de aviões, navios e trens, exige uma rede de instalações de armazenamento e distribuição, além de pessoal para operá-la. A indústria de infraestrutura de transporte também é uma importante fonte de geração de emprego para os profissionais que aborda todos os aspectos do desenvolvimento da infraestrutura. Os profissionais que trabalham nessa área são contratados por agências governamentais, empresas de consultoria, de construção, autoridades de transporte e empresas privadas. Os profissionais que trabalham na solução de problemas de transporte são engenheiros, advogados, economistas, cientistas sociais, urbanistas e ambientalistas. Entre suas atribuições estão a elaboração da legislação, facilitação para a aquisição do direito de passagem, monitoração dos efeitos do transporte sobre a economia, preparação das declarações de impacto ambiental, desenvolvimento de estratégias de marketing e desenvolvimento dos planos de uso do solo e previsões de demanda. Engenharia de transporte é a área responsável pelo planejamento, concepção, construção, operação e manutenção das suas infraestruturas. O campo abrange rodovias, aeroportos, pistas de pouso/decolagem de aero­ portos, estações ferroviárias e vias férreas, pontes e vias fluviais, dispositivos de drenagem, portos e sistemas

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de transporte ferroviário ou rodoviário. Existem oportunidades de emprego nessas áreas em agências de transporte federais, no governo estadual, autarquias especiais de transporte, empresas de consultoria, companhias ferroviárias e aéreas, indústria privada e associações profissionais. Embora esse setor esteja associado à engenharia civil, os profissionais do transporte muitas vezes têm formação acadêmica em outras disciplinas de engenharia, como mecânica, elétrica, aeroespacial e de tecnologia da informação. Além de uma compreensão dos princípios básicos de transporte, o engenheiro de transporte deve possuir amplos conhecimentos sobre os fundamentos de engenharia, ciência, estatísticas, comunicação oral e escrita, computadores, economia, história e ciências sociais. Normalmente, o engenheiro de transporte moderno obtém um grau de bacharel em engenharia e mestrado ou doutorado em uma especialidade de transporte, como descrito nas seções seguintes. O planejamento de transporte envolve planos e programas de desenvolvimento que melhoram as condições atuais de viagem. Os planejadores fazem perguntas como: Um aeroporto existente deve ser expandido ou um novo deve ser construído? Uma via expressa deve ter sua largura aumentada? Uma ferrovia deve ser construída? O processo envolve a definição do problema, estabelecendo metas e objetivos, coleta de dados de viagens e instalações, previsão de demanda de tráfego e a avaliação das opções disponíveis. O planejador também deve avaliar os impactos ambientais, o efeito do projeto sobre o uso do solo e os benefícios do projeto em relação ao custo. A viabilidade física e as fontes de financiamento também são consideradas. O produto final é uma comparação das diferentes alternativas com base em objetivos e critérios estabelecidos e uma análise de como cada opção cumprirá as metas e os objetivos desejados. Um plano é, então, recomendado para apreciação por parte dos tomadores de decisão e do público. O projeto de transporte envolve a especificação dos recursos que compõem as instalações para que ele funcione de forma eficiente e de acordo com critérios adequados e modelos teóricos. O projeto final oferece um conjunto de desenhos, para uso do proprietário e do contratante, que estabelece as especificações detalhadas para seu desenvolvimento. O processo do projeto envolve a seleção das dimensões para as características geométricas de alinhamento e de nível, bem como os elementos estruturais de pontes e da pavimentação. No caso de rodovias ou pistas de pouso/decolagem de aeroportos, a espessura do pavimento deve ser determinada. Se as estruturas das pontes ou de drenagem forem necessárias (por exemplo, em um cruzamento ferroviário ou na adaptação da altura livre do túnel para acomodar dois contêineres empilhados), um projeto estrutural deve ser realizado. A provisão para dispositivos de drenagem, incluindo canaletas, bueiros e dispositivos subterrâneos, está incluída no projeto. Os dispositivos de controle de tráfego também são especificados (por exemplo, em cruzamentos ferroviários e nos terminais marítimos). Os centros de controle de tráfego para os sistemas de transportes aéreos, ferroviários ou rodoviários exigirão instalações de monitoramento e modificação dos padrões de tráfego conforme as condições exigirem. Os engenheiros de projeto devem ser proficientes em assuntos como mecânica dos solos e fundações, hidráulica, topografia, pavimentação e projeto geométrico. O processo de projeto resulta em um conjunto de planos detalhados que pode ser usado para estimar o custo da instalação e realização da construção. A construção do sistema de transporte envolve todos os aspectos do processo de construção. Normalmente, uma empreiteira de obras é escolhida por sua experiência, disponibilidade de trabalhadores qualificados e uma proposta de preço competitiva. Algumas empreiteiras especializam-se em um aspecto específico de transporte, como rodovias, aeroportos, portos marítimos ou ferrovias. Para um projeto muito grande, em geral várias empreiteiras se organizam em um consórcio e subdividem o trabalho em segmentos. Essas empresas também se especializam como subcontratadas para tarefas, tais como instalações elétricas, fundações, estaqueamentos, pontes, perfurações de túneis, estruturas, instalações hidráulicas e terraplenagem. O papel do engenheiro de transporte na construção é representar o contratante para assegurar que o projeto está sendo construído de acordo com as especificações, aprovar os pagamentos parciais, inspecionar o trabalho em andamento e representar o contratante em negociações para mudanças no trabalho ou em disputas que possam surgir. Esse profissional

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também pode ser empregado pela contratada e, nessa qualidade, responsabiliza-se pela estimativa dos custos, gestão do trabalho do dia a dia, tratando com as empresas subcontratadas e representando a empresa nas negociações com o órgão ou empresa contratante. As operações e o gerenciamento do transporte envolvem o controle dos veículos em tempo real para garantir que eles estejam viajando em rotas que são seguras em relação às interferências de outros veículos ou pedestres. Enquanto cada modalidade de transporte tem procedimentos únicos de controle de tráfego, é de responsabilidade do engenheiro de transporte idealizar sistemas e procedimentos que garantam tanto a segurança como a capacidade. Em rodovias, cada motorista está no controle de seu veículo e, assim, o sistema de controle de tráfego consiste em sinais, marcas e sinalizações, que se destinam a adverti-los e direcioná-los. O engenheiro de transporte aplica a mais recente tecnologia para monitorar o tráfego, fornecer informações aos motoristas, e prestar assistência no caso de acidentes. O controle de tráfego aéreo é um processo individual, com um controlador monitorando a localização de cada aeronave e dando orientações sobre a altitude de cruzeiro, velocidade, decolagem e aterrissagem. Os sistemas ferroviários são controlados em um centro de tráfego e por sinais da via férrea que, automaticamente, atribuem o direito de passagem e ajustam a velocidade. O maquinista pode operar sob controle visual ou por rádio. Em cada caso, o engenheiro de transporte é responsável pelo desenvolvimento de um sistema de controle que seja consistente com o fornecimento do mais alto nível de segurança e serviço. A manutenção da infraestrutura do transporte envolve o processo de assegurar que o sistema de transporte do país permaneça em excelente condição. Muitas vezes, a manutenção é negligenciada como uma tática de redução de custos, e o resultado pode ser catastrófico. A manutenção não é politicamente atraente, assim como novas construções, porém, os efeitos da manutenção protelada, se não detectados, podem resultar em tragédia e, por fim, investigações públicas das causas e dos responsáveis pela negligência. A manutenção envolve a substituição de rotina de peças, a programação regular dos serviços, o reparo das superfícies desgastadas em pavimentos e outras ações necessárias para manter o veículo ou a instalação em condições de funcionamento. Envolve ainda o gerenciamento de dados para as atividades de trabalho e o cronograma do projeto, bem como a análise das atividades de manutenção para garantir que elas sejam realizadas de forma adequada e econômica. O engenheiro de transporte é responsável por selecionar estratégias de manutenção e horários, prever seus ciclos, gerenciar riscos, tratar da responsabilidade civil, avaliar os custos econômicos dos programas de manutenção, testar novos produtos e fazer a escala do pessoal de manutenção e dos equipamentos.

História do transporte Por milhares de anos antes do século XIX, o meio pelo qual as pessoas viajavam não se alterava. Por terra, a viagem era a pé ou em veículos de tração animal. Por mar, os barcos eram movidos pelo vento ou por homens. A viagem era lenta, cara e perigosa. Como resultado, as nações mantiveram-se relativamente isoladas e muitas sociedades cresceram, prosperaram e decaíram sem o conhecimento de pessoas que viviam em outros lugares. Em 1790, ano do primeiro censo federal, 4 milhões de pessoas viviam nos Estados Unidos. O fraco serviço de transporte manteve as comunidades isoladas. Por exemplo, em 1776, passou-se quase um mês para que os cidadãos de Charleston, Carolina do Sul, soubessem que a Declaração de Independência fora ratificada em Filadélfia, a uma distância de menos de 1.200 km. No alvorecer do século XIX, novas tecnologias, que tiveram uma profunda influência sobre o transporte, foram sendo introduzidas. Em 1769, James Watt, um engenheiro escocês, patenteou um projeto revolucionário de motor a vapor, e, em 1807, Robert Fulton, engenheiro civil, demonstrou a viabilidade comercial da viagem de barco a vapor. Desde então, livros foram escritos em comemoração à história de cada uma das modalidades de transporte que se seguiram a Watt e Fulton, descrevendo os pioneiros, inventores e empreendedores com visão e coragem para desenvolver uma nova tecnologia e, assim, mudar a sociedade.

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Visão geral do transporte • Capítulo 1

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Entre os principais marcos da história do transporte estão a construção de rodovias pedagiadas para acomodar viagens a pé e a cavalo; a construção de navios a vapor e canais nos rios e hidrovias; a expansão do oeste, possibilitada pela construção de ferrovias; o desenvolvimento do transporte de massa nas cidades; a invenção do avião e o sistema de transporte aéreo resultante dos aviões a jato, aeroportos e navegação aérea; a introdução do automóvel e a construção de rodovias; a evolução do transporte intermodal, considerando as modalidades como um sistema integrado; e a aplicação da tecnologia da informação. No século XIX, as primeiras estradas eram primitivas e não pavimentadas. A viagem era a cavalo ou em veículos de tração animal. Em 1808, o secretário do Tesouro americano, Albert Gallatin, que serviu à presidência de Thomas Jeffer­son, elaborou um relatório ao Congresso sobre a necessidade nacional de instalações de transporte. O relatório desenvolveu um plano de transporte nacional envolvendo estradas e canais. Apesar de o plano não ter sido adotado oficial­mente, houve muita pressão para que o governo federal investisse em transportes. O relatório de Gallatin impulsionou a construção da primeira rodovia nacional, também conhecida como Cumberland Road, que ligou Cumberland, Maryland, a Vandalia, Illinois. Já em 1827, a manutenção da rodovia tornou-se um problema, porque a superfície de pedra estava se desgastando e não havia fundos disponíveis para sua conservação. A construção de estradas não era uma alta prioridade no século XIX, pois a maioria do tráfego era realizada por embarcações, e mais tarde por estradas de ferro. A construção de rodovias pedagiadas era frequentemente financiada por fundos privados, e sua manutenção era realizada por cidadãos locais. Melhorias no projeto de veículos, tais como o carroção Conestoga, construído pela primeira vez em meados dos anos 1700, transportavam a maior parte das mercadorias e pessoas no sentido oeste pelos Alleghenies2 até aproximadamente 1850 (Figura 1.4). Esses carroções cobertos, tracionados por parelhas de quatro a seis cavalos, eram chamados de camels of the prairies (camelos das pradarias). Eles foram projetados com rodas removíveis de aro largo para evitar o atolamento na lama, e tinham fundo curvado para estabilizar a carga contra deslocamentos.

Figura 1.4 – Carroção Conestoga de tração animal (cavalos), 1910. 2

Montes Allegheny, parte da cordilheira dos Apalaches, no norte dos Estados Unidos.

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Figura 1.5 – Clermont, barco a vapor de Fulton, 1807.

O transporte por hidrovia desenvolveu-se com a introdução do transporte em barco a vapor nos Estados Unidos após a viagem bem-sucedida do North River Steamboat (também chamado Clermont) (Figura 1.5). Pela primeira vez na história, os passageiros viajaram sobre o rio Hudson da cidade de Nova York até Albany em um barco não movido a velas. Nos anos subsequentes, o transporte em barcos a vapor prosperou nos principais rios e lagos, e prestou serviços de transporte de passageiros para as cidades localizadas em Long Island Sound, às margens do rio Mississippi, seus afluentes, outros rios no Oeste, e nos Grandes Lagos. Para ampliar o sistema fluvial, canais foram construídos com o objetivo de ligar os rios e os lagos e desbravar o Oeste. O transporte fluvial teve um papel fundamental na localização das cidades. Assentamentos eram mais propensos a ocorrer em locais com acesso a portos, rios, lagos e córregos. Ainda hoje, a maioria das grandes cidades nos Estados Unidos e no mundo está localizada próxima a hidrovias ou a grandes lagos. Os canais eram uma modalidade dominante durante o período de 1800-1840, quando cerca de 6.400 km deles foram construídos para ligar várias hidrovias na região nordeste dos Estados Unidos. O sistema de hidrovias e canais atendeu tanto às necessidades do transporte de carga como à de passageiros, e proporcionou transporte a baixo custo entre muitos locais antes inacessíveis. Um dos projetos mais proeminentes, o Canal de Erie, foi concluído em 1825 e ligou Albany, em Nova York, ao Lago Erie, em Buffalo (Figura 1.6). Esse projeto, de 581 km, gerou uma nova indústria da construção, bem como a profissão de engenheiro civil. As técnicas desenvolvidas na construção desse projeto foram seguidas em todo o mundo em outros projetos, principalmente o do Canal de Suez, concluído em 1869, e o Canal do Panamá, iniciado pelos franceses em 1882 e concluído pelos norte-americanos em 1914. Os canais foram utilizados para encurtar as distâncias das viagens de rotas sinuosas por rios ou por carroça. No entanto, os tempos de viagem em canais eram limitados pela velocidade das mulas que rebocavam os barcos ou pelos atrasos nas eclusas. Não era incomum a formação de longas filas ou as lutas entre as tripulações dos barcos para definir qual direção tinha prioridade para passar. O transporte ferroviário lentamente emergiu como nova modalidade durante o mesmo período em que os canais estavam sendo construídos. O uso de trilhos como superfície de rolamento diminuía as forças de atrito

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Hoel · Garber · Sadek Engenharia de infraestrutura de transportes Uma integração multimodal

Hoel · Garber · Sadek

Engenharia de infraestrutura de transportes Uma integração multimodal A característica peculiar deste livro é a sua abordagem multimodal e integrada dos sistemas de transporte, fundamentada na engenharia de transportes. A seleção dos tópicos dos capítulos engloba as áreas profissionais mais importantes, incluindo o transporte na sociedade; os modelos de sistemas; as características dos condutores, dos veículos e da via; a análise da capacidade; o planejamento e a avaliação; o projeto geométrico das vias; o projeto estrutural do pavimento; a segurança e a tecnologia da informação. Engenharia de Infraestrutura de Transporte fornece uma visão geral do transporte em vez de enfatizar um modo específico em detalhes. aplicações Este livro-texto destina-se aos cursos de Engenharia de Transportes que enfatizam os sistemas de transporte a partir de uma perspectiva global. Pode ser adotado como manual para um curso introdutório ou de nível superior avançado e para o primeiro ano dos cursos de pós-graduação.

Engenharia de infraestrutura de transportes Uma integração multimodal Lester A. Hoel Nicholas J. Garber Adel W. Sadek

Ciência e engenharia dos materiais Donald R. Askeland e Pradeep P. Phulé Fundamentos de engenharia geotécnica Tradução da 7ª edição norte-americana Braja M. Das Fundamentos da engenharia econômica e da análise econômica de projetos Oswaldo Fadigas Fontes Torres

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