1 APRESENTAÇÃO
2.8 C ARACTERIZAÇÃO DA RUGOSIDADE SUPERFICIAL DO REVESTIMENTO DE ESTRADAS DE
2.8.2 Metodologia de cálculo do IRI
De acordo com a Strata (2018), no cálculo do IRI a medição do perfil é processada por um modelo matemático que filtra e acumula os comprimentos de onda encontrados. Este modelo foi desenvolvido e calibrado de forma a garantir que o resultado está intimamente relacionado com a percepção dos usuários da via em relação à carga dinâmica dos pneus e seu impacto sobre o controle e segurança do veículo. O cálculo é, portanto, associado a métodos de perfilometria (estudo de perfis viários).
O cálculo imita o processamento físico e a filtragem de um veículo de medição para produzir um valor de uma variável denominada Average Rectified Slope (ARS), que pode ser traduzida como Inclinação Retificada Média. A avaliação do IRI simula o deslocamento de uma roda (ou seja, um quarto do veículo) de um típico carro de passageiros. Devido a isso, este modelo de cálculo é muitas vezes referido como o "modelo de um quarto de carro".
Uma vez que o cálculo emprega um algoritmo de computador para transformar o perfil num valor de ARS, o cálculo do IRI tem várias vantagens em relação a uma medição do tipo resposta. Uma das principais consiste no fato de que para o IRI o perfil da via permanece naturalmente constante ao longo do tempo. Isto oferece uma distinta vantagem sobre a medição tipo de resposta que é dependente do amortecimento e rigidez característicos do veículo de medição, que são bastante variáveis de veículo para veículo. A figura 2.13 apresenta o princípio esquemático de medição do IRI.
Sayers et al. (1986a), cita outras formas de se calcular o IRI de um determinado perfil que incluem o uso de um computador analógico e um perfil contínuo; a integração numérica computacional; a correlação com outros índices e, por fim, o uso de uma matriz de transição de estado. A maneira mais comum de cálculo faz uso do último método - a matriz de transição de estado.
O cálculo por este método é realizado por meio de 4 variáveis que são função do perfil medido. Tais variáveis simulam a resposta dinâmica do veículo de referência e seu tráfego sobre o perfil. As equações das quatro variáveis são resolvidas para cada ponto do perfil, com exceção do primeiro ponto. A inclinação média dos primeiros 11 m do perfil é usada para iniciar as variáveis com os seguintes valores, de acordo com as equações (25), (26) e (27):
( – ) ... (Equação 25)
... (Equação 26)
... (Equação 27)
Onde:
Ya é a elevação do ponto a do perfil (mm);
Y1 é a elevação do primeiro ponto do perfil (mm);
dx é o intervalo entre os pontos do perfil (m). z0
z
1
z
2
O próximo passo inclui a solução das equações recursivas (28), (29), (30) e (31) para cada ponto do perfil, partindo do segundo ponto até o último.
... (Equação 28) ... (Equação 29) ... (Equação 30) ... (Equação 31) Onde: ... (Equação 32) ... (Equação 33)
Os coeficientes Sij e Pj são fixos para um determinado intervalo dx. Tais coeficientes
estão disponíveis em Sayers et al. (1986b) na forma de matrizes para os espaçamentos mais comuns e podem também ser calculados para outros espaçamentos. As equações (28), (29), (30) e (31) devem ser resolvidas para cada posição do perfil. Depois de resolvida para um determinado ponto do perfil, a equação (33) é usada para atualizar os valores de Z1’, Z2’, Z3’e
Z4’ para o próximo ponto do perfil. Ainda, para cada posição a inclinação retificada (RS) do
perfil filtrado é computada pela equação (34):
– ... (Equação 34)
O IRI, enfim, é a média da variável RS por todo o comprimento do trecho. Assim, após a equação (34) ter sido resolvida para todos os pontos do perfil, o IRI é calculado pela equação (35):
... (Equação 35)
2.8.3 Equipamento e tecnologia para medição do IRI
Perfilômetro é o equipamento utilizado para a medição do IRI. Ele utiliza a tecnologia de sensores laser para registrar as irregularidades existentes na via. É também conhecido
como um equipamento do tipo-resposta, pois seu sistema baseia-se na reação de um veículo a que é acoplado (ECHEVERRIA, 2011). O perfilômetro laser é acoplado na parte frontal de um veículo de transporte, como mostra em destaque amarelo na figura 2.14, e integra um acelerômetro, usado na obtenção do movimento vertical do corpo do veículo, e um sensor tipo
laser, usado na medição do deslocamento entre o corpo do veículo e a superfície do
pavimento. Trata-se de um equipamento simples que mede, cumulativamente, durante suas passagens na via, as mudanças do movimento de suspensão do veículo.
Figura 2.14 – Perfilógrafo longitudinal a laser (Strata Engenharia, 2018).
O sistema pode ser resumido em três elementos básicos e três dispositivos básicos: ponto de referência, altura em relação ao ponto de referência e deslocamento longitudinal; e sensor de aceleração vertical, sensor de deslocamento e sistema eletrônico para coletar e processar os dados (software), respectivamente (BARELA, 2008 apud ANTT, 2017). O perfil da estrada é obtido somando os desvios verticais do corpo do veículo com o deslocamento veículo/pavimento. Outros equipamentos e tecnologias para medição do IRI podem ser encontradas em Fialho (2015).
O perfilômetro a laser é instalado em um compartimento (destaque em amarelo na Figura 2.14), no qual os sensores atuam projetando um raio (laser) sobre um ponto do pavimento. Um receptor, situado na viga, mede a altura desse ponto sobre o pavimento, conforme preconizado pela ASTM E 1845 ou ISO 13473, de acordo com APS (2006). Os
sensores coletam os dados a cada polegada percorrida e, ao final, cabe ao operador definir os intervalos constantes para a geração dos resultados. Os intervalos são definidos de acordo com a precisão que se quer obter, devido às características superficiais da estrada (por exemplo a cada 10 m).
Barela (2008 apud ANTT, 2017) lista as características comuns dos perfilômetros, como:
a) necessidade de movimento para realização as medições;
b) podem ser usados na velocidade da via, ou seja, podem passar despercebidos aos demais usuários evitando riscos à segurança e problemas de fluidez;
c) não devem ser usados a velocidades muito baixas (o que depende da sensibilidade dos acelerômetros usados);
d) não geram perfis exatamente iguais aos obtidos estaticamente (com nível e mira2 ou Dipstick3). Entretanto, a partir dos dados coletados é possível se calcular com precisão índices relativos à condição superficial, tais como o IRI ou o Quociente de Irregularidade4 (QI);
e) podem gerar resultados mais confiáveis que os obtidos estaticamente, pois a coleta de dados é automatizada, o que elimina fontes de erros humanos.
2
Equipamento de medição da rugosidade nas trilhas de roda externa e interna a cada 0,50m. Trata-se de um método trabalhoso e lento, uma vez que necessita de bloqueio de pista para sua utilização, originando altos custos para a coleta dos dados no campo e no processamento das informações (LIXINSKI, 2017).
3
Método manual de medição da rugosidade de pequeno rendimento, também usado na calibração de trechos de referência. Necessita que o operador caminhe ao longo da trilha de roda do pavimento, o que torna sua utilização lenta e insegura (LIXINSKI, 2017).
4
Índice de rugosidade longitudinal oficial utilizado no Brasil, segundo a normalização do DNIT. Porém, alguns órgãos, agências e concessionárias utilizam os resultados em IRI obtidos por perfilômetros ou perfilógrafos laser (ANTT, 2017).
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Este capítulo detalha o estudo de caso realizado em duas minas de minério de ferro de grande porte, que contempla desde a seleção das estradas e coleta de dados por meio da perfilagem a laser e consulta a banco de dados de índices operacionais de transporte até o processamento das informações através de critérios preestabelecidos, modelos matemáticos e ferramentas estatísticas. São também apresentados os materiais e métodos utilizados no desenvolvimento da pesquisa.
3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
A proposta de realização deste estudo de caso surgiu através da parceria entre a Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) e o Instituto Tecnológico Vale (ITV) e faz parte de um projeto que possui o intuito de otimizar a operação de transporte de minério e estéril por caminhões fora-de-estrada considerando o máximo de parâmetros possíveis que permeiam esta atividade, bem como os aspectos geométricos das vias.
Portanto, neste contexto, observou-se a necessidade de inserir, também, o caráter funcional destas vias – acessos principais – no processo de modelagem para a otimização da produtividade e custos de transporte. Tal caráter funcional diz respeito à condição de tráfego que as estradas oferecem, traduzida pelas irregularidades ou rugosidades existentes em suas superfícies.
Logo, o estudo de caso se resume à quantificação das rugosidades existentes nas superfícies das estradas que compõem os acessos principais em duas minas de ferro de grande porte através da medição por perfilagem a laser. A partir destes dados foi possível estimar a resistência ao rolamento e, juntamente com resultados obtidos de resistência devido à inclinação das vias, estimou-se a velocidade que os caminhões fora-de-estrada podem desenvolver, bem como o tempo de viagem gasto para o transporte. Por fim, estimou-se a produtividade e custo unitário da movimentação de material, conforme sintetizado na figura 3.1.
Assim, o principal produto da proposta deste trabalho de pesquisa é um conjunto de dados estimados de parâmetros operacionais de transporte que se configura como subsídio para a tomada de decisão acerca do dimensionamento de frota e gestão de manutenção das estradas de mina, por meio do controle da rugosidade superficial das vias de tráfego.
Figura 3.1 – Proposta do trabalho de pesquisa.
3.2 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
Os materiais e equipamentos utilizados na realização deste trabalho de pesquisa foram:
a) material bibliográfico digital (normas ABNT, artigos, revistas, livros, dissertações e teses de doutorado) obtidos em meio eletrônico e material bibliográfico físico (livros e apostilas) obtido nas bibliotecas da UFOP e do ITV, para construção do embasamento teórico da pesquisa;
b) veículo perfilógrafo, da empresa Strata Engenharia, para execução da perfilagem a
laser e geração de resultados de rugosidade da superfície das estradas de mina;
c) câmera fotográfica para registro visual das estradas e do processo de execução da perfilagem;
d) notebook com softwares instalados (pacote Microsoft Office®, Datamine®, Minitab®, Grapher® e CorelDraw®) para o processamento de dados, análise de resultados e redação da dissertação;
e) todas as atividades em campo foram organizadas previamente, orientadas pelos técnicos das minas e realizadas seguindo as normas de segurança. Foram fornecidos os equipamentos de proteção individual necessários, além de equipe de apoio para acompanhamento da coleta de dados in loco.
3.3 UNIDADES AMOSTRAIS ESCOLHIDAS
O estudo de caso foi realizado em duas minas de ferro de grande porte localizadas na região norte do país e na região do Quadrilátero Ferrífero, em Minas Gerais, e serão identificadas, neste trabalho, como mina 1 e mina 2, respectivamente. Inicialmente, foram estabelecidos contatos com as gerências de terraplenagem e infraestrutura de ambos os locais para alinhamento dos objetivos e verificação da exequibilidade da metodologia proposta neste trabalho. Com isso, foram selecionadas duas estradas da mina 1 e três estradas da mina 2, com base na importância estratégica das mesmas devido ao grande fluxo de movimentação de material.
As estradas da mina 1 representam acessos principais de transporte de minério (estrada A) e estéril (estrada B) e foram construídas por corte – quando o dimensionamento e abertura da estrada preserva a litologia local e o revestimento da via ocorre sobre a base litológica original – e inserção de camada de revestimento. As características das estradas estão dispostas na tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Características das estradas da mina 1 selecionadas para o estudo de caso. Mina 1 - Norte do Brasil
Estrada Comprimento Largura Origem Destino Revestimento
A 5,450 km 35 m Frente de
lavra Britador
Jaspelito e hematita (origem). Máfica sã (percurso).
Hematita friável (destino).
B 4,070 km 35 m Frente de
lavra
Pilha de
estéril Hematita friável.
ITV (2018).
A estrada A, cujo traçado é apresentado na figura 3.2, se inicia em uma frente de lavra com piso constituído por jaspelito e hematita e termina em uma praça de britagem com piso revestido por hematita friável, conforme mostram as figuras 3.3 e 3.4, respectivamente. O trecho que liga os dois pontos é revestido com material denominado máfica sã. Já a estrada B, cujo traçado é apresentado na figura 3.5, é revestida por hematita friável, se inicia em uma
frente de lavra e termina em uma praça de descarga de estéril conforme mostram as figuras 3.6 e 3.7, respectivamente.
Figura 3.3 – Ponto de origem: praça de lavra de minério (ITV, 2018). Figura 3.2 – Estrada A (ITV, 2018).
Material de revestimento predominante no percurso: Máfica sã Material de revestimento predominante: Jaspelito e hematita
Figura 3.4 – Ponto de destino: praça de alimentação do britador (ITV, 2018).
Figura 3.5 – Estrada B (ITV, 2018).
Material de revestimento predominante: Hematita friável Material de revestimento predominante no percurso: Hematita friável
Figura 3.6 – Ponto de origem: praça de lavra de minério (ITV, 2018).
Figura 3.7 – Ponto de destino: praça de descarga de estéril (ITV, 2018).
Material de revestimento predominante: Hematita friável Material de revestimento predominante: Hematita friável
As estradas da mina 2 representam acessos principais de transporte de minério (estradas C e D) e estéril (estrada E). A estrada D é a única dentre as cinco estradas selecionadas que foi dimensionada e construída obedecendo ao método construtivo recomendado pelo Manual de Estradas de Mina5 da Vale (OLIVEIRA FILHO et al.,2010b), com camadas estruturais que compõem um projeto de pavimento. Isso permitiu que os resultados de irregularidades obtidos nesta via fossem comparados às demais com o intuito de verificar a influência do método construtivo neste parâmetro, quando comparado às estradas em corte e aterro. As características das estradas estão dispostas na tabela 3.2.
Tabela 3.2 – Características das estradas da mina 2 selecionadas para o estudo de caso. Mina 2 - Quadrilátero Ferrífero em Minas Gerais
Estrada Comprimento Largura Origem Destino Revestimento
C 4,990 km 30 m Frente de
lavra Britador Itabirito compacto.
D 6,960 km 43 m Frente de
lavra Britador
Hematita/itabirito (origem). Itabirito compacto (percurso e destino). E 4,120 km 30 m Frente de lavra Pilha de estéril Quartzito (origem e
percurso). Aterro (destino).
ITV (2018).
A figura 3.8 apresenta o traçado da estrada C revestida por itabirito compacto, que se inicia em uma frente de lavra e termina em uma praça de britagem conforme mostram as figuras 3.9 e 3.10, respectivamente. O traçado da estrada D é apresentado na figura 3.11 e se inicia em uma frente de lavra cujo piso é constituído por hematita e itabirito, e termina em uma praça de britagem com piso revestido por itabirito compacto conforme mostram as figuras 3.12 e 3.13, respectivamente. O trecho que liga os dois pontos é revestido com 40 cm de material fino (itabirito compacto) para capeamento da pista de rolamento e possui camada de base com 5 m de espessura composta por itabiritos com maior presença de granulados. A
5
Manual que apresenta um conjunto padronizado de procedimentos de Gestão de Estradas de Mina, que inclui parâmetros e ferramentas técnicas voltados ao projeto, construção e manutenção dos acessos para transporte de materiais entre bancadas, frentes de lavra e a pilhas de disposição de estéril, dentre outros.
estrada E, cujo traçado é apresentado na figura 3.14, se inicia em uma frente de lavra com piso constituído por quartzito e termina em uma praça de descarga de estéril com piso em aterro, conforme mostram as figuras 3.15 e 3.16, respectivamente. O trecho que liga os dois pontos foi construído em corte, preservando o material in situ (quartzito).
Figura 3.8 – Estrada C (ITV, 2018).
Figura 3.9 – Ponto de origem: praça de lavra de minério (ITV, 2018).
Material de revestimento predominante no percurso: Itabirito compacto Material de revestimento predominante: Itabirito compacto
Figura 3.10 – Ponto de destino: praça de alimentação do britador (ITV, 2018).
Figura 3.11 – Estrada D (ITV, 2018).
Material de revestimento predominante: Itabirito compacto Material de revestimento predominante no percurso: Itabirito compacto
Figura 3.12 – Ponto de origem: praça de lavra de minério (ITV, 2018).
Figura 3.13 – Ponto de destino: praça de alimentação do britador (ITV, 2018).
Material de revestimento predominante: Hematita e itabirito Material de revestimento predominante: Itabirito compacto
Figura 3.14 – Estrada E (ITV, 2018).
Figura 3.15 – Ponto de origem: praça de lavra de minério (ITV, 2018).
Material de revestimento predominante no percurso: Quartzito Material de revestimento predominante: Quartzito
Figura 3.16 – Ponto de destino: praça de descarga de estéril (ITV, 2018).
3.4 BASE DE DADOS DE TRANSPORTE
As equipes de terraplenagem e infraestrutura das minas contribuíram, ao longo de todo período, com o fornecimento de informações necessárias sobre a atividade de transporte, como, por exemplo, bancos de dados de parâmetros operacionais de transporte.
Desta forma, realizou-se uma análise estatística descritiva da carga média, tempos fixos (manobra, carregamento, descarregamento e espera), velocidades e produtividade dos caminhões fora-de-estrada das minas 1 e 2, com o intuito de obter valores representativos destes parâmetros para estimação da resistência ao rolamento, produtividade e custos, e também compreender o contexto operacional ao qual a atividade de transporte está inserido.
Os caminhões fora-de-estrada utilizados nas minas variam desde os modelos Caterpillar 777G, 789C, 793D e 797F, com capacidades de 90 t, 180 t, 240 t e 400 t, respectivamente, a modelos Komatsu 830E, com capacidade de 240 t. Neste trabalho de pesquisa são considerados somente os caminhões fora-de-estrada Caterpillar 793D, com capacidade de 240 toneladas (Figura 3.17), pelo fato de representarem a maior parte da frota
Material de revestimento predominante:
de caminhões utilizados nas minas. Portanto, ressalta-se que os resultados obtidos neste estudo se restringem aos caminhões deste porte, uma vez que a carga de material transportada por estes veículos influencia diretamente os parâmetros operacionais já mencionados.
Figura 3.17 – Caminhão fora-de-estrada modelo Caterpillar 793D considerado para o estudo dos parâmetros operacionais de transporte (ITV, 2018).
Os dados de transporte da mina 1 correspondem ao período compreendido entre julho de 2017 e março de 2018 e os dados de transporte da mina 2 correspondem aos anos de 2015, 2016, 2017 e primeiro quadrimestre de 2018, totalizando um período de três anos e quatro meses. Estes dados foram gerenciados no software Microsoft Access 2016® e processados nos softwares Excel 2016® e Minitab 17®. Inicialmente foram identificados e retirados os
outliers por inspeção visual e por inspeção aos boxplots gerados. Em seguida, obtiveram-se os
parâmetros estatísticos descritivos como mínimo, máximo, média, mediana, desvio-padrão e coeficiente de variação.
De acordo com Spiegel (1972) e a partir do Teorema Central do Limite, a distribuição da média dos dados converge para a distribuição normal conforme o tamanho da amostra
aumenta, mesmo quando a distribuição da população de eventos não segue uma distribuição normal. Isso se torna válido para base de dados com grandes quantidades de unidades amostrais, como é o caso da base de dados das minas 1 e 2.Os parâmetros estatísticos obtidos pertencem ao intervalo de confiança de 95%. A tabela 3.3 apresenta o resultado da análise estatística dos dados operacionais de transporte das minas em estudo.
Tabela 3.3 – Base de dados consolidada referente à atividade de transporte nas minas 1 e 2.
Parâmetro Mina 1 - Caminhão CAT-793D
Mínimo Máximo Média Mediana Desvio padrão Coeficiente de variação (%) Carga média (t) 205,78 276,24 240,90 241,16 13,15 5,46
Tempo de manobra (min) 0,20 3,03 1,42 1,38 0,61 42,96
Tempo de carregamento (min) 1,00 5,06 2,54 2,44 0,92 36,22
Tempo de descarregamento (min) 0,20 2,00 1,37 1,50 0,65 47,45
Tempo de espera (min) 0,00 14,16 4,74 3,98 3,41 71,94
Tempo fixo total (min) 1,82 21,01 10,25 9,30 3,86 37,66
Velocidade ida (min) 6,10 27,08 16,59 16,87 3,86 23,27
Velocidade volta (min) 8,17 39,74 23,86 25,34 5,75 24,10
Velocidade média (min) 9,20 29,91 19,54 20,24 3,84 19,65
Produtividade (t/h) 60,34 732,96 402,48 414,81 135,59 33,69
Fator de eficiência da operação 0,70
Mina 2 - Caminhão CAT-793D
Carga média (t) 225,77 264,22 245,26 245,45 7,00 2,85
Tempo de manobra (min) 0,20 2,20 1,02 0,99 0,40 39,22
Tempo de carregamento (min) 1,03 6,26 3,55 3,41 0,96 27,04
Tempo de descarregamento (min) 0,08 1,94 1,05 1,04 0,42 40,00
Tempo de espera (min) 0,00 7,14 1,74 1,40 1,68 96,55
Tempo fixo total (min) 1,31 17,54 7,36 6,84 3,46 47,01
Velocidade ida (min) 13,36 26,51 20,64 20,58 2,92 14,15
Velocidade volta (min) 11,81 43,25 27,53 29,50 6,17 22,41
Velocidade média (min) 13,43 29,68 22,60 22,99 3,39 15,00
Produtividade (t/h) 143,67 414,35 263,48 374,41 57,53 21,83
Fator de eficiência da operação 0,70
3.5 ETAPAS E MÉTODOS EMPREGADOS
As etapas estabelecidas para o desenvolvimento do estudo de caso são sintetizadas no sequenciamento esquemático da figura 3.18. A partir da seleção de uma estrada de mina, executou-se a perfilagem a laser para medição da rugosidade de sua superfície. Os resultados obtidos permitiram classificar a condição da via como péssima, mau, regular, boa e excelente e estimar a resistência ao rolamento através de um modelo matemático pré-estabelecido. A resistência ao rolamento, somada à resistência devido a inclinação da via, permitiram estimar a velocidade máxima que o caminhão é capaz de desenvolver em cada trecho da estrada. Ponderou-se a velocidade pelo comprimento de cada trecho para obtenção da velocidade média e, com isso, estimar o tempo de viagem do caminhão fora-de-estrada. Finalmente, o tempo de viagem somado aos dados consolidados de transporte conforme tabela 3.3, possibilitou estimar a produtividade e custo unitário de transporte para as duas minas em estudo.
Figura 3.18 – Etapas e sequenciamento da pesquisa. Estimação da velocidade do caminhão fora-de- estrada Estimação da produtividade e custo unitário de transporte Rugosidade qualitativa (condição da estrada) Rugosidade quantitativa (IRI) Estimação da resistência ao rolamento Seleção de uma estrada
de mina
Perfilagem a laser via perfilógrafo
Estimação da resistência devido à inclinação da
Para este estudo são consideradas somente as forças resistivas de rolamento e inclinação da via, tendo em vista que a magnitude da força de resistência do ar é desprezível. A resistência inercial será considerada através do fator de redução da velocidade máxima teórica que o caminhão fora-de-estrada pode desenvolver em cada trecho das estradas. É considerado também que o esforço trator não supera a força de aderência, o que contribui para o deslizamento da roda do veículo. Para cada etapa foram propostas metodologias para sua execução e são abordadas nos subitens a seguir.
3.5.1 Perfilagem a laser e caracterização da rugosidade em estradas de mina