Gustavo Garcia Otto
ESTUDO DA RELAÇÃO SENSOR-PAVIMENTO PARA AUMENTO DA PRECISÃO DE SISTEMAS DE PESAGEM EM
MOVIMENTO
Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Dr. Leto Momm
Gustavo Garcia Otto
ESTUDO DA RELAÇÃO SENSOR-PAVIMENTO PARA AUMENTO DA PRECISÃO DE SISTEMAS DE PESAGEM EM MOVIMENTO Esta Tese foi julgada adequada para obtenção do Título de Doutor e aprovada
em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. Florianópolis, 06 de abril de 2018.
Prof. Glicério Trichês, Dr.
Coordenador do Curso Prof. Leto Momm, Dr. Orientador
Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC Banca Examinadora:
Prof. Washington Peres Núñez, Dr.
Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS Prof. Sérgio Ronaldo Granemann, Dr.
Universidade de Brasília – UNB
Prof. Kamilla Vasconcelos Savasini, Dr. Universidade de São Paulo – USP
(videoconferência)
Prof. Glicério Trichês, Dr.
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
Este trabalho é dedicado à minha esposa, Simone, ao meu filho, Hugo, aos meus pais e ao meu orientador, que guiaram o meu caminho nessa jornada.
AGRADECIMENTOS
Agradeço, primeiramente o meu orientador, prof. Dr. Leto Momm, que acreditou em mim e no meu potencial como engenheiro pesquisador. Agradeço o prof. Dr. Amir Mattar Valente pela confiança nos trabalhos que realizamos juntos e que permitiram a obtenção dos resultados aqui apresentados. Agradeço aos professores do Departamento de Engenharia Civil da UFSC, que me ofereceram conhecimento e suporte durante a minha formação. Agradeço aos pesquisadores e funcionários do Laboratório de Transportes e Logística, ECV/UFSC.
Agradeço a Coordenação Geral de Operações Rodoviárias do DNIT pela iniciativa com os estudos com tecnologia de pesagem em movimento realizados em Araranguá. Aos amigos que tive a oportunidade de conhecer e conviver.
Agradeço em especial ao coordenador do LAMES/IFSTTRAR, Dr. Pierre Hornych. Ao Dr. Jean-Michel Piau, quem me guiou quando precisei. Agradeço também aos pesquisadores e funcionários do MAST e COSYS, em especial para aqueles trabalham no Manège de Fatigue. Aos amigos que deixei em Nantes: Olivier Chupin, Mai-Lan Nyguen, Jean-Michel Simonin, Eric e Manuela Genansseux, Louis-Marie Conttineaux. Por fim, agradeço também aos amigos e colegas que me apoiaram ao logo desse trabalho.
RESUMO
Este trabalho propõe estudar o comportamento de sensores de pesagem em movimento (WIM) em conjunto com a avaliação do comportamento estrutural de pavimentos. Propõe um método para o tratamento de dados de sensores WIM que considere o comportamento viscoelástico e termosuscetível dos materiais asfálticos com o intuito de aprimorar a precisão de sistemas de pesagem em movimento. Dois experimentos de campo são realizados, um sobre a pista experimental de Araranguá/SC e outro sobre a pista circular do carrossel de fadiga do IFSTTAR em Nantes/França, e os resultados obtidos são explorados e analisados. Em Araranguá, diferentes tecnologias WIM são testadas em condições brasileiras de pavimento e veículos de carga. A estrutura do pavimento da pista foi projetada conforme o dimensionamento da estrutura padrão adotado para a obra de duplicação da BR-101/sul. Nessas condições, testes com os sistemas de pesagem seguiram uma aproximação múltiplos-sensores WIM (MS/WIM). A instrumentação da estrutura do pavimento fornece as informações do comportamento do pavimento ao mesmo tempo e que os veículos de carga passam. Um modelo de deterioração do pavimento em função das cargas passantes é construído e permite relacionar o impacto da carga passante com um dano individual atuando ao pavimento que levam a ruptura do material. Em Nantes, os experimentos são realizados com diferentes tecnologias de sensores WIM em condições controladas em laboratório e sobre a pista experimental do carrossel de fadiga. Sobre o carrossel o comportamento dos sensores é testado em diferentes condições de carregamento e temperatura. A partir dos resultados obtidos, um modelo Eletromecânico (EM) é proposto de maneira representar sensores WIM em função do comportamento dos pavimentos, temperatura e carregamento. Tal modelo permite representar a resposta elétrica do sensor WIM em função das tensões e deformações encontradas dentro da estrutura do pavimento. Por fim, o trabalho propõe um método de correção do efeito dinâmico das cargas para sistemas de carga dinâmica baseado na resposta de sensores de baixo custo. Os sensores são instalados no pavimento junto aos sistemas WIM e permitem corrigir o as variações da força dinâmica à medida que os veículos de carga viajam sobre a balança na rodovia.
ABSTRACT
This work aims to study the behavior of Weigh-in-Motion (WIM) sensors in an evaluation together with the study of structural pavement performance. It proposes a method for the treatment of WIM sensor response data to consider the viscoelastic and temperature behavior of bituminous materials to improve the accuracy of WIM systems. Two field experiments are carried out, one at the experimental track in Araranguá/SC city and another at the circular track of the fatigue carrousel at the IFSTTAR in Nantes/France, and the results obtained are explored and analyzed. In Araranguá, different WIM technologies are tested under Brazilian conditions of pavement and heavy vehicles class. The pavement structure of the track was designed according to the sizing of the standard structure design for the duplication work of the BR-101/south. Under these conditions, tests with the scales systems followed a multiple-sensors WIM approximation (MS/WIM). The pavement structure instrumentation provides the pavement behavior information while heavy vehicles passes over the WIM scale. A deterioration model of the pavement as a function of the axle loads is created and allows to corelate the impact of the axle load with an individual damage acting over o the pavement structure and that leads to material rupture. In Nantes, the experiments are performed with different WIM sensor technologies under controlled conditions in the laboratory and at the experimental track of the fatigue carousel. On the carousel the behavior of the sensors is tested under different temperature and loading conditions. From the results obtained, an Electro-Mechanical (EM) model is proposed to represent any WIM sensors as a function of pavement behavior, temperature and loading. Finally, the work proposes a method of correction of the dynamic effect of loads for dynamic load systems based on low cost sensors. The sensors are installed on the pavement surface next, and around, to the WIM systems and allow to correct the variations of the dynamic force as the heavy vehicles travels over the scale on the highway.
Keywords: Weigh-in-Motion systems. WIM sensors. Behavior of pavements.
RÉSUMÉ
Ce travail propose d'étudier le comportement des capteurs de pesage en marche (WIM) en liaison avec l'évaluation du comportement structurel des chaussées. Une méthode de traitement des données pour de capteurs WIM est proposé, qui considère le comportement viscoélastique et thermos susceptible des matériaux bitumineux afin d'améliorer la précision des systèmes de pesage en marche. Deux expériences de vraie grandeur sont menées, l'une sur la piste expérimentale à Araranguá/SC et l'autre sur la piste circulaire du carrousel de fatigue IFSTTAR à Nantes/France. Les résultats obtenus sont explorés et analysés. À Araranguá, différentes technologies WIM sont testées sous les conditions de structure des chaussées et des poids lourdes caractéristique au Brésil. La structure de la chaussée dans le site a été conçue selon la structure standard adoptée pour dans la duplication de l’autoroute BR-101/sud. Dans ces conditions, les tests sont réalisés dans une approximation multiples-capteurs WIM (MS/WIM). L'instrumentation de la structure de la chaussée fournit les informations sur le comportement de la chaussée à le même instant que les véhicules de charge passent. Un modèle de détérioration de la chaussée en fonction des charges traversantes est construit. Ce modèle permet de mettre en relation la charge avec l’endommagement individuel agissant sur la structure de la chaussée qui conduit à la rupture par fatigue du matériau. À Nantes, les expérimente sont réalisées avec différentes technologies de capteurs WIM dans des conditions contrôlées, dans le laboratoire et sur la piste expérimentale du carrousel de fatigue. Sur le carrousel, le comportement des capteurs est testé dans différentes conditions de chargement et température. À partir des résultats obtenus, un modèle électromécanique (EM) est proposé pour représenter les capteurs WIM en fonction du comportement de la chaussée, de la température et du chargement. Le modèle permet de représenter la réponse électrique du capteur WIM en fonction des tensions et déformations produit à l'intérieur de la structure de la chaussée. Enfin, le travail propose une méthode de correction de l'effet dynamique des charges roulant dans les systèmes WIM repérée par des capteurs bas coût. Les capteurs sont installés dans la chaussée au tour des systèmes WIM en permettent corriger les variations de la force dynamique à l’instant que le véhicule se déplace sur la balance à l’autoroute.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Procedimentos para alcançar o objetivo ... 37
Figura 2 – Projeção para a fiscalização do excesso de carga pelo mundo ... 48
Figura 3 – Sítio experimental de Araranguá – SC ... 51
Figura 4 – Equipamentos na estação integrada do sítio experimental ... 52
Figura 5 – Equipamentos múltiplos sensores WIM instalados na pista experimental ... 52
Figura 6 – Estrutura do pavimento da Pista Experimental ... 53
Figura 7 – Posto de Pesagem Veicular de Araranguá, DNIT-PPV 16.08 ... 54
Figura 8 – Esquema de posicionamento de sensores WIM tecnologia quartzo, cerâmico, polímero e óptico na pista experimental ... 55
Figura 9 – Instrumentação do sistema de análise do comportamento mecânico do pavimento ... 56
Figura 10 – Corte longitudinal da estrutura do pavimento e o posicionamento dos sensores nas diversas camadas da estrutura do pavimento ... 57
Figura 11 – Os sistemas de pesagem em movimento, funcionalidades e dados registrados... 59
Figura 12 – Cortes do sensor piezelétrico quartzo (Kistler); à direita, corte longitudinal parcial; à esquerda, corte transversal no nível de uma pastilha ... 67
Figura 13 – Corte transversal do sensor piezoeléctrico Kistler integrado no pavimento no local de existência da pastilha ... 67
Figura 14 – Geometria do sensor piezoelétrico cerâmico Thermocoax ... 68
Figura 15 – Estrutura interna da barra de sensor piezelétrico cerâmico Thermocoax (corte transversal) ... 68
Figura 16 – Geometria da barra de sensor piezelétrico polímero Measurement Specialties ... 69
Figura 17 – Estrutura interna da barra de sensor piezoeléctrico polímero Measurement Specialties ... 70
Figura 18 – Geometria da barra de sensor tecnologia óptico Measurement Specialties ... 70
Figura 19 – Estrutura interna da barra de sensor tecnologia ótica Measurement Specialties ... 71
Figura 20 – Geometria da barra de sensor tecnologia célula de carga por extensômetria Intercomp ... 72
... 77 Figura 25 – Estrutura típica de um pavimento segundo guia francês de
dimensionamento de pavimentos ... 82 Figura 26 – Dados para dimensionamento das estruturas rodoviárias ... 84 Figura 27 – Esforços no pavimento devido à passagem de uma carga ... 88 Figura 28 – Sinal de deformação longitudinal 𝜀𝑥𝑥 e transversal 𝜀𝑦𝑦 da fibra
inferior de camada betuminosa 𝑧 0,17 m, da passagem de um veículo de 2 eixos a V = 30 km/h e Temp. do pavimento 𝜃 27°𝐶 ... 89 Figura 29 – Representação do modelo viscoelástico de Huet-Sayegh (1965),
onde k e h são os dois elementos de fluagem parabólicos ... 93 Figura 30 – Exemplo de telas da interface da ferramenta computacional ALIZÉ,
(a) estrutura de análise, (b) tipo de análise, (c) tipo de carregamento e (d) resultados ... 97 Figura 31 – Referência fixa e móvel da carga em movimento para o ViscoRoute
... 98 Figura 32 – Descrição da análise de uma estrutura de pavimento computado
pelo ViscoRoute ... 99 Figura 33 – Comparação entre deformações de computadas na base da camada
betuminosa de base a diferentes temperaturas (20°C e 30°C) ... 103 Figura 34 – Esquema ilustrando as noções do perfil longitudinal e transversal de um pavimento e a trajetória do pneu ... 104 Figura 35 – Efeitos aos usuários em termos do comprimento de onda e textura
... 105 Figura 36 – Esquema e parâmetros do cálculo do Índice de Irregularidade
Internacional (IRI) ... 107 Figura 37 – Faixas de variação do Índice de Irregularidade Internacional (IRI)
... 107 Figura 38 – Princípio de cálculo da NBO, decomposição do perfil em sinais
filtrados e cálculo da energia por banda de ondas ... 108 Figura 39 – Apresenta a curva densidade espectral de potência onde existe a
presença de defeito no pavimento... 109 Figura 40 – Representação de um veículo por um modelo matemático ... 111 Figura 41 – Esquema do modelo ¼ de veículo (eixo simples) de dois graus de
Figura 42 – Esquema do modelo ½ de veículo (eixo tanem) de três graus de liberdade ... 113 Figura 43 – Resultados do IRI calculados para um comprimento de onda de 20
m ... 118 Figura 44 – NBO encontrada para ondas curtas sobre a pista experimental ... 119 Figura 45 – NBO para ondas médias da pista experimental ... 120 Figura 46 – NBO para ondas longas da pista experimental ... 120 Figura 47 – Instrumentação dos veículos de teste com acelerômetros e
extensômetros nos eixos, roda direita e esquerda ... 121 Figura 48 – Classe dos veículos representativos escolhidos para os testes e a
respectiva instrumentação de medição da força vertical e da aceleração da massa suspensa ... 122 Figura 49 – Força dinâmica (lado esquerdo e direito) relativa a uma passada do
veículo 2C, com carga plena (PBT), a velocidade média de 48 km/h ... 124 Figura 50 – Densidade espectral de potência (DSP) dos eixos dianteiro e traseiro (média de ambos os lados) do veículo 2C ... 125 Figura 51 – Força dinâmica (lado esquerdo e direito) relativa a uma passada do
veículo 3C, com carga plena (PBT), à velocidade média de 60 km/h ... 126 Figura 52 – Densidade espectral de potência (DSP) dos eixos dianteiro e traseiro (média de ambos os lados) do veículo 3C ... 126 Figura 53 – Força dinâmica (lado esquerdo e direito) relativa a uma passada do
veículo 2S3, com carga plena (PBT), à velocidade média de 52 km/h ... 127 Figura 54 – Densidade espectral de potência (DSP) dos eixos dianteiro e traseiro (média de ambos os lados) do veículo 2S3 ... 128 Figura 55 – Força dinâmica (lado esquerdo e direito) relativa a uma passada do
veículo 3S3, com carga plena (PBT), à velocidade média de 44 km/h ... 129 Figura 56 – Densidade espectral de potência (DSP) dos eixos dianteiro e traseiro (média de ambos os lados) do veículo 3S3 ... 130 Figura 57 - Conjunto de elementos mecânicos do equipamento de flexão
alternada do Laboratório de Pavimentação (UFSC) ... 131 Figura 58 – Representação do módulo complexo na Curva Cole-Cole, da
mistura betuminosa da pista experimental, nos dois períodos de ensaio 2012 e 2016 ... 133 Figura 59 – Curva de Fadiga do concreto asfáltico da pista experimental, nos
Figura 62 – Sinal característico da passagem de um mesmo veículo (2S3) sobre os sensores das tecnologias quartzo, cerâmico, polímero e óptico ... 142 Figura 63 – Comparação entre diferentes passadas sobre quatro sensores quartzo
... 144 Figura 64 – Efeito da variação da velocidade sobre as medidas dos sensores de
pesagem tecnologia piezo quartzo ... 145 Figura 65 – Repetibilidade de um sensor WIM tecnologia quartzo, 10 passadas
na velocidade 30 km/h ... 145 Figura 66 – Erro relativo (%) entre o peso dinâmico e peso estático para em 10
passadas do Eixo 1 do veículo 3C de testes ... 146 Figura 67 – Sequência de medidas, primeiro eixo do Veículo 3C (E1), de uma
passada sobre os 16 sensores piezo quartzo (V = 50 km/h) ... 147 Figura 68 – Superposição entre medição de veículo instrumentado e as
medições do sistema piezo quartzo ... 148 Figura 69 – Avaliação da tolerância 𝛿𝑚𝑖𝑛 (%) de cada sensor isolado e do
sistema múltiplos sensores, linhas 11, 13, 14, 15 e 16 combinadas ... 153 Figura 70 – Classes de exatidão das 16 linhas de sensores quartzo e o sistema
múltiplos sensores, linhas 11, 13, 14, 15 e 16 ... 153 Figura 71 – Precisão (%) em função do número de sensores, dados do sistema
WIM quartzo e aproximação por uma linha tendência de potência ... 154 Figura 72 – Frequências das classes de veículos característicos da frota segundo
QFV (2012) ... 156 Figura 73 – Espectro de carga por tipo de eixo e limites legais (Resolução do
CONTRAN Nº210/06) para o eixo simples roda dupla, tandem duplo e tandem triplo ... 157 Figura 74 – Espectro de velocidades dos veículos pesados passante sobre a pista experimental ... 157 Figura 75 – Amplitude de temperatura ao longo do dia para diferentes
profundidades (z = -5 cm e z = -17 cm) ... 160 Figura 76 – Deformações longitudinais do extensômetro colocado na fibra
inferior da camada betuminosa, diferentes passadas, diferentes posições laterais, Veículo 3C a 20 km/h e temperatura do
Figura 77 – Deformações transversais do extensômetro colocado na fibra inferior da camada betuminosa, diferentes passadas, diferentes posições laterais, Veículo 3C a 20 km/h e temperatura do
pavimento (𝑧 17 𝑐𝑚) 37°C ... 162 Figura 78 – Vida do pavimento e as consequências do excesso de carga da frota
encontrada na pista experimental em Araranguá ... 164 Figura 79 – Resposta do sensor WIM baseado na deflexão do pavimento e das
tensões transmitidas sob a área de influência da carga de um pneu ... 170 Figura 80 – Instalações do IFSTTAR em Nantes, LAMES e SII ... 176 Figura 81 – Carrossel de fadiga com 4 braços do equipamento sobre a pista
circular de 120 m de comprimento ... 177 Figura 82 – Detalhes dos braços do carrossel de fadiga ... 178 Figura 83 – Instrumentação par o experimento com sensores de pesagem em
movimento no carrossel de fadiga ... 179 Figura 84 – Esquema da prensa hidráulica e das duas estruturas de suporte para
o ensaio de caracterização dos sensores WIM ... 185 Figura 85 – Condições dos experimentos realizados na pista experimental ... 186 Figura 86 – Condições para o ensaio de compressão pontual, sensor quartzo 188 Figura 87 – Ensaio de compressão pontual, posicionamento do pistão na
superfície do sensor piezo quartzo ... 188 Figura 88 – Condições para o ensaio a flexão 3-pontos, sensores quartzo e
cerâmico ... 189 Figura 89 – Ensaio a flexão 3-pontos para o sensor piezo quartzo, princípio de
medida do sensor de deslocamento ... 191 Figura 90 – Ensaio de flexão 3-pontos para o sensor piezo cerâmico, viga de aço
de mesmo comprimento que o sensor (A), ponto de aplicação da força e sensor de deslocamento (B) ... 191 Figura 91 – Parâmetro (𝛼 ∗ 𝑠0, 𝜔 𝑄 ∗/𝐹 ∗) da resposta EM, para cada posição
𝑠0 de ensaio e 𝜔 = 5 Hz, temperatura de 25 °C, em vermelho as regiões representativas de largura igual contato de um pneu ... 193 Figura 92 – Média móvel para uma largura de pneu de 25 cm e uma frequência
de 5 Hz ... 194 Figura 93 – Média móvel da sensibilidade 𝛼 ∗ para diferentes frequências: 5, 10
e 20 Hz ... 194 Figura 94 – Deformada do sensor quartzo para D1 (77 cm), Face A, para todas
as frequências de ensaio e sobreposição com os deslocamentos medidos pelo sensor laser 𝑠 70, 30, 20, 10,20 ... 196
Figura 97 – Valores de 𝛼 ∗ calculados a partir das modalidades 𝐷1, 𝐷2 e 𝐷1, 𝐷3 (Face A e B) ... 199 Figura 98 – Valores de 𝛽 ∗ calculados a partir das modalidades 𝐷1, 𝐷2 e
𝐷1, 𝐷3 (Face A e B) ... 199 Figura 99 – Deformada do conjunto sensor cerâmico e viga metálica para D1
(140 cm), nas frequências de ensaio, e sobreposição com os deslocamentos medidos pelo sensor laser 𝑠
100, 60, 40, 30, 30 ... 202 Figura 100 – Deformada da barra de sensor quartzo para todas as distâncias
entre apoios, frequência de ensaio a 20 Hz ... 203 Figura 101 – Relação saída elétrica 𝑄 ∗ pela 𝐹 ∗, para cada frequência de
solicitação (entre 0,5 e 20 Hz) e para diferentes modalidades de distância entre apoios D1, D2 e D3 ... 204 Figura 102 – Valores de 𝛼 ∗ calculados a partir das modalidades 𝐷1, 𝐷2,
𝐷1, 𝐷3 e 𝐷2, 𝐷3 ... 205 Figura 103 – Valores de 𝛽 ∗ calculados a partir das modalidades 𝐷1, 𝐷2, 𝐷1, 𝐷3 e 𝐷2, 𝐷3 ... 205 Figura 104 – Ensaio com placa metálica sobre o sensor quartzo Grupo (1) .... 208 Figura 105 – Ensaio com FWD, equipamento sobre o reboque à esquerda e
placa sobre o sensor à direita ... 209 Figura 106 – Em (A) os diferentes níveis de carregamento (30, 45, 55 e 70 kN),
em (B) as deflexões máximas ... 210 Figura 107 – Bacia de deflexão do pavimento da região sobre grupo de sensores (1 ,2, 3 e 4), sob o efeito da carga de ensaios FWD de 70 kN ... 211 Figura 108 – Comparação das respostas dos sensores piezo quartzo série F, na
esquerda o ensaio FWD (K1), e na direta o ensaio placa metálica, em vermelho a resposta ao efeito de compressão e flexão (K1 e K2, respectivamente), em azul efeito de flexão somente ... 212 Figura 109 – Comparação das respostas dos sensores piezo quartzo série G, na
esquerda o ensaio FWD (K3), e na direta o ensaio placa metálica, em vermelho a resposta ao efeito de compressão e flexão (K1 e K2), em azul efeito de flexão somente ... 213 Figura 110 – Comparação das respostas dos sensores piezo cerâmico, na
esquerda o ensaio FWD (C3), e na direita o ensaio placa metálica, em vermelho a resposta ao efeito de compressão e flexão (C3 e C4), em azul o efeito de flexão somente ... 215
Figura 111 – Força dinâmica 𝐹 𝑡 dos braços a uma velocidade de 32 km/h, no alto equivalente a uma volta completa sobre a pista do carrossel, abaixo zona entre coordenada 40 e 65 m ... 217 Figura 112 – Medidas da força dinâmica 𝐹 𝑡 , do braço 1, e resposta elétrica
dos 10 sensores de pesagem em movimento (Grupos 1, 2, 3 e 4) 218 Figura 113 – Erros máximos da força dinâmica 𝐹𝑡 para a 11 posições possíveis
sobre a pista do carrossel da sequência 1, velocidades 32, 50 e 72 km/h ... 219 Figura 114 – Efeito da variação de velocidade sobre a resposta elétrica dos
sensores tecnologias K1, K4, C3 e P2 ... 220 Figura 115 – Resposta elétrica do sensor quartzo série F (K1) em função da
posição lateral da carga sobre o sensor ... 221 Figura 116 – Resposta elétrica do sensor cerâmico (C3) em função da posição
lateral da carga sobre o sensor ... 222 Figura 117 – Resposta elétrica do sensor polímero (P1) em função do local de
passagem da carga ... 223 Figura 118 – Registro da temperatura no pavimento da pista do carrossel de
fadiga durante o período de 19/06/2014 até 28/06/2014, na
superfície e profundidades 𝑧 3,5; 7; 13; 25; 34 ... 225 Figura 119 – Efeito da variação da temperatura sobre a resposta elétrica dos
sensores tecnologias K1, K4, C3 e P2 ... 226 Figura 120 – Resposta da amplitude elétrica do sensor quartzo série F (K1) em
função da posição lateral da carga sobre o sensor e da temperatura da superfície do pavimento (períodos tarde e manhã) ... 227 Figura 121 – Valores médios de 9 sinais de resposta elétrica do sensor cerâmico
devido a uma carga 45 kN, viajando a 20 m/s e temperatura do pavimento 41°C ... 232 Figura 122 – Comparação entre sinal do sensor cerâmico
𝑄𝑥 𝑀𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜 𝐸𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 , considerando comportamento elástico do pavimento, com sinal (valor médio) do sensor no carrossel de fadiga ... 233 Figura 123 – Comparação entre sinal 𝑄𝑥 𝑀𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑒𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 ,
considerando comportamento viscoelástico do pavimento, com sinal (valor médio) do sensor no carrossel de fadiga ... 234 Figura 124 – Contribuição dos efeitos de compressão (vertical e horizontal) e da curvatura na resposta EM (viscoelástico) do sensor cerâmico .... 234 Figura 125 – Resposta EM de sensor piezelétrico cerâmico para diferentes
(A) utilizando grelha de múltiplos sensores BC, (B) mono sensor WIM BC ... 245 Figura 129 – Resposta esperada do sensor instalado para o caso de múltiplos
eixos (3 eixos) simultâneos viajando sobre o sítio de pesagem ... 247 Figura 130 – Força vertical resultante 𝐹 𝑡 e média da força 𝐹 no intervalo ∆𝑡, e o valor da força estática do pneu sobre o pavimento ... 252 Figura 131 – Erro da força calculada a partir de uma média móvel para uma
distância 𝑙 dada ao passo de 5 m ... 254 Figura 132 – Erro da força calculada a partir de uma média móvel, para uma
distância 𝑙 dada ao passo de 5 m, dos veículos de testes 2C, 3C, 2S3 e 3S3 ... 255 Figura 133 – Força individual dos eixos componentes do tridem e o sítio de
pesagem, comprimento 𝑙, 𝑙, composto por 𝑛 sensores BC e um sensor de pesagem ... 258 Figura 134 – Sinais 𝑠𝑐 de onze sensores baixo custo instalados em um sítio de
pesagem de comprimento 𝑙 = 35 m e as forças Prosper-Callas e força calculada, eixo 𝑒 1 ... 259 Figura 135 – Forças Prosper-Callas e força calculada, eixo 𝑒 1, para os
comprimentos do sítio de pesagem 𝑙 30,40,50 𝑚 ... 260 Figura 136 – Erro atribuído ao cálculo da força resposta do sistema corrigida
pelo coeficiente 𝑟 e para cada eixo do grupo tridem ... 262 Figura 137 – Precisão da força corrigida em função do comprimento total do
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Classes de precisão da pesagem em movimento suscetível de ser atendido sobre um sítio de pesagem em movimento ... 61 Quadro 2 – Procedimento de análise para definição da classe de precisão de um
sistema WIM ... 64 Quadro 3 – Plano de testes para avaliação da precisão do sistema WIM com
veículos pré-pesados ... 149 Quadro 4 – Descrição dos equipamentos instalados na pista carrossel de fadiga
... 180 Quadro 5 – Ensaios com os sensores de pesagem em movimento realizados no
carrossel de fadiga ... 183 Quadro 6 – Características dos ensaios de flexão 3-pontos para os sensores
piezo quartzo e cerâmico ... 190 Quadro 7 – Características da estrutura do pavimento, dados de entrada para
análise ... 230 Quadro 8 – Características dos dados para aproximação do comprimento do
sítio de pesagem... 253 Quadro 9 – Características do sítio de pesagem, a carga a ser medida pelo
sensor de pesagem e o conjunto de sensores baixo custo ... 256 Quadro 10 – Resumo dos tópicos explorados durante a realização do trabalho
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Classificação dos sítios de pesagem segundo características do pavimento ... 60 Tabela 2 – Tolerâncias das classes de precisão (𝛿 em %) ... 63 Tabela 3 – Valores do coeficiente 𝑘𝑐 ... 87 Tabela 4 – Valores do coeficiente 𝑘𝑠 ... 87 Tabela 5 – Distribuição da carga estática para o veículo classe 2C ... 123 Tabela 6 – Distribuição da carga estática para o veículo classe 3C ... 125 Tabela 7 – Distribuição da carga estática para o veículo classe 2S3 ... 127 Tabela 8 – Distribuição da carga estática para o veículo classe 3S3 ... 129 Tabela 9 – Frequências naturais (Hz) encontradas para os eixos dos veículos
característicos da pista experimental ... 131 Tabela 10 – Os valores dos parâmetros de Huet-Sayegh para a mistura
betuminosa da pista experimental (2012 e 2016) ... 134 Tabela 11 – Dados para determinação da tensão de tração admissível da mistura
betuminosa para os dados de 2012 e 2016 ... 135 Tabela 12 – Pesagem em baixa velocidade dos veículos de testes sobre a
balança do PPV ... 149 Tabela 13 – Cálculo da classe de precisão da primeira linha de sensor tecnologia quartzo, linha 1 ... 151 Tabela 14 – Classe de precisão para o sistema MS-WIM quartzo composto pelas médias dos erros relativos para os sensores linhas 11, 13, 14, 15 e 16 ... 152 Tabela 15 – Valor máximo, mínimo, médio e variação da sensibilidade 𝛼 ∗
(V/kN) para cada frequência e comparação global entre as
diferentes frequências ... 195 Tabela 16 – Incerteza da resposta elétrica em função da posição lateral da carga
sobre a superfície do sensor WIM ... 224 Tabela 17 – Efeito da variação de temperatura na resposta dos sensores de
pesagem ... 227 Tabela 18 – Parâmetros de Huet-Sayegh para os materiais da camada BBSG e
GB, entrada de dados para análise viscoelástica com ViscoRoute 2.0 ... 231 Tabela 19 – Comprimento 𝑙 para o erro máximo de 1%, 2% e 3% da força eixo
simulação Prosper-Callas, de velocidades 32, 50 e 72 km/h ... 253 Tabela 20 – Comprimento 𝑙 para o erro máximo de 1%, 2% e 3% dos veículos
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AASHTO – American Association of State Highway and Transportation Officials
ASTM – American Society for Testing and Materials BBSG – Béton Bitumineux Semi-Grenu
BC – Baixo custo, sensores disponíveis no mercado com valores muito inferiores aos dos demais equipamentos usados nos sistemas WIM BGS – Brita Graduada Simples
B-WIM – Bridge Weigh-in-Motion
CAM – Coeficiente de Agressividade Média CBUQ – Concreto Betuminoso Usinado a Quente CCO – Centro de Controle de Operação
CGPERT – Coordenação Geral de Operações Rodoviárias CONTRAN – Conselho Nacional de Trânsito
COST – Eurpean Cooperation in Science and Technology COSYS – Composants et Systèmes
DGITM – General Direction of Infrastructures, Transport and Sea DNER – Departamento Nacional de Estradas de Rodagem DNIT – Departamento Nacional de Infraestrutura de Transporte DSP – Densidade Espectral de Potência
EBO – Energia de Banda de Onda EM – Eletromecânico
FFT – Fast Fourrier Transform
FHWA – Federal Highway Administration FWD – Falling Weigth Deflectometer GB – Grave-Bitume
HS-WIM – Hight-Speed Weigh-in-Motion
IFSTTAR – l'Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l’Aménagement et des Réseaux
INMETRO – Instituto Nacional de Metrologia IPR – Instituto de Pesquisas Rodoviárias IRI – Índice de Irregularidade Internacional LabTrans – Laboratório de Transportes e Logística
LAMES – Laboratório Auscultação, Modelização, Experimentação da Infraestrutura de Transporte
OCR – Optical Character Recognition
OECD – Organization of Economic Cooperation and Development OIML – Organização Internacional de Metrologia Legal
PBT – Peso Bruto Total
PDNEP – Plano Diretor Nacional Estratégico de Pesagem PIAF – Posto Integrado Automatizado de Fiscalização PIB – Produto Interno Bruto
PPV – Posto de Pesagem Veicular
RDC – Regime Diferenciado de Contratação
RNTRC – Registro Nacional de Transportadores Rodoviários RTM – Regulamento Técnico Metrológico
SIM – Stress-in-Motion
SINIAV – Sistema de Identificação Automático de Veículos TDR – Time Domain Reflectometer
UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina WIM – Weigh-in-Motion
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 35 1.1 OBJETIVO GERAL ... 36 1.2 PROCEDIMENTOS PARA ALCANÇAR O OBJETIVO ... 36 1.3 JUSTIFICATIVA ... 37 1.4 LIMITAÇÃO ... 38 1.5 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 39 2 ESTUDOS BIBLIOGRÁFICOS ... 45 2.1 PARTE I – PESAGEM EM MOVIMENTO ... 45 2.1.1 História da pesagem em movimento e contexto no mundo e
no Brasil ... 45 2.1.2 Experimentos com WIM em Santa Catarina e no Rio
Grande do Sul ... 49 2.1.3 Métodos de pesagem ... 57 2.1.4 Especificação para um sistema de pesagem em movimento
... 59 2.1.5 Equipamentos de pesagem em movimento ... 65
2.1.5.1 Tecnologia piezelétrico quartzo ... 66
2.1.5.2 Tecnologia piezelétrico cerâmico ... 67
2.1.5.3 Tecnologia piezelétrico polímero ... 69
2.1.5.4 Tecnologia óptico ... 70
2.1.5.5 Tecnologia célula de carga com extensômetro ... 71
2.1.5.6 Amplificador de carga ... 72 2.1.6 Equipamentos complementares de baixo custo ... 74 2.1.7 Estimação do peso dinâmico ... 74 2.1.8 Procedimento de calibração de sistemas de pesagem ... 77 2.1.9 Fatores ligados às incertezas... 78
2.1.9.1 Erro intrínseco (precisão do sensor) ... 78
2.1.9.2 Erros devidos a fatores externos ... 79 2.2 PARTE II – COMPORTAMENTO DOS PAVIMENTOS
ASFÁLTICOS ... 81 2.2.1 Constituição das estruturas de pavimentos Franceses ... 82
2.2.1.1 Noções do método francês para o dimensionamento de pavimento betuminosos ... 83 2.2.2 Efeito da carga sobre o pavimento ... 87 2.2.3 Comportamento dos materiais betuminosos ... 89
2.2.5.1 Indicador internacional IRI ... 106
2.2.5.2 Notação por Banda de Onda ... 107
2.2.5.3 Especificação europeia COST 323 ... 110 2.2.6 Modelo suspensão veicular... 110 2.3 SÍNTESE DO CAPÍTULO ... 113 3 RESULTADOS DO EXPERIMENTO DE PESAGEM EM
MOVIMENTO EM ARARANGUÁ ... 117 3.1 CARACTERÍSTICAS DO SÍTIO EXPERIMENTAL ... 117 3.1.1 Perfil longitudinal ... 117
3.1.1.1 Medições do IRI ... 118
3.1.1.2 Medições NBO ... 119
3.1.1.3 Avaliação dos resultados segundo COST 323 ... 121 3.1.2 Caminhão instrumentado ... 121 3.1.3 Caracterização dos materiais betuminosos ... 131
3.1.3.1 Ensaio do módulo complexo ... 132
3.1.3.2 Ensaio de fadiga ... 134 3.1.4 Deflexão e bacia de deflexão ... 136
3.1.4.1 Avaliação dos resultados segundo COST 323 ... 139 3.2 RESPOSTA DOS SISTEMAS DE PESAGEM EM MOVIMENTO
... 140 3.2.1 Resposta elétrica das diferentes tecnologias de sensores .. 141 3.2.2 Repetibilidade dos sinais de campo ... 143 3.2.3 Dispersão dos resultados e os erros relativos ... 144 3.2.4 Avaliação múltiplos sensores ... 146 3.3 CLASSES DE PRECISÃO ... 148 3.4 RESULTADOS PRÁTICOS ... 155 3.4.1 Controle dos veículos de carga ... 155 3.4.2 Análise da deterioração do pavimento ... 158 3.4.3 Sensibilidade do excesso de carga na vida dos pavimentos
... 162 3.5 SÍNTESE DO CAPÍTULO ... 164 4 RESULTADOS DO EXPERIMENTO DE PESAGEM EM
MOVIMENTO NO IFSTTAR EM NANTES ... 169
4.1 METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO
4.1.1 Efeito da deformação do sensor devido a deformação do pavimento ... 169 4.1.2 Identificação dos parâmetros eletromecânicos em
laboratório... 173 4.2 PROJETO WIM DO IFSTTAR EM NANTES ... 175 4.3 ENSAIOS NO CARROSSEL DE FADIGA ... 177 4.3.1 Braços do carrossel de fadiga ... 178 4.3.2 Instrumentação da pista do carrossel ... 179 4.3.3 Descrição dos ensaios ... 183 4.4 ENSAIOS NO LABORATÓRIO DE ESTRUTURA E
INSTRUMENTAÇÃO INTEGRADA ... 184 4.4.1 Descrição do ensaio de compressão por carga pontual .... 187 4.4.2 Ensaio a flexão 3-pontos ... 189 4.5 RESULTADOS DOS ENSAIOS DE LABORATÓRIO ... 191 4.5.1 Compressão pontual piezo quartzo ... 192 4.5.2 Flexão piezo quartzo ... 196
4.5.2.1 Implicação da resposta EM e dos resultados em laboratório para as medições WIM no pavimento ... 200 4.5.3 Flexão piezo cerâmico ... 201
4.5.3.1 Implicação da resposta EM e dos resultados em laboratório para as medições WIM no pavimento ... 206 4.6 RESULTADOS DOS ENSAIOS SOBRE A PISTA DO
CARROSSEL DE FADIGA ... 206 4.6.1 Descrição dos ensaios de caracterização dos sensores no
pavimento ... 207 4.6.2 Resultados da caracterização dos sensores in-situ ... 211
4.6.2.1 Sensor piezo quartzo série F e G ... 211
4.6.2.2 Sensor piezo cerâmico ... 214 4.6.3 Resultados dos testes de sequência (1) ... 216
4.6.3.1 Efeito da carga dinâmica ... 216
4.6.3.2 Efeito da velocidade ... 219
4.6.3.3 Efeito da posição sobre o sensor ... 220
4.6.3.4 Efeito da temperatura ... 224
4.7 COMPARAÇÃO ENTRE SINAL REAL E COMPORTAMENTO
(EM) DE SENSOR NO PAVIMENTO ... 228 4.7.1 Comportamento EM sensor cerâmico ... 231 4.7.2 Comportamento EM sensor quartzo ... 236 4.8 SÍNTESE DO CAPÍTULO ... 237
CUSTO ... 245 5.2.1 Descrição para o caso múltiplos eixos (tridem) ... 246 5.2.2 Resposta do sensor ... 248 5.2.3 Calculo da força no tempo ... 249 5.2.4 Cálculo da força média ... 250 5.2.5 Cálculo da força equivalente estática ... 250 5.3 COMPRIMENTO DO SÍTIO DE PESAGEM ... 251 5.3.1 Comprimento do sítio e o erro da força média ... 252 5.4 VERIFICAÇÃO E LIMITES ... 255 5.4.1 Cálculo da força sobre o sítio de pesagem ... 258 5.4.2 Número de sensores e comprimento do sítio de pesagem . 261 5.5 SÍNTESE DO CAPÍTULO ... 264 6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ... 267 6.1 CONCLUSÕES GERAIS ... 267 6.1.1 Em Araranguá ... 268 6.1.2 No laboratório em Nantes ... 269 6.1.3 No carrossel de fadiga em Nantes ... 269 6.1.4 Comportamento EM dos sensores WIM ... 270 6.1.5 Correção do efeito dinâmico ... 271 6.2 RECOMENDAÇÕES ... 271 REFERENCIAS ... 273 APÊNDICE A – CARACTERÍSTICAS DO CONCRETO
ASFÁLTICO DA PISTA EXPERIMENTAL ... 285 APÊNDICE B – RESOLUÇÃO COMPLETA DO MODELO
DINÂMICO PARA UM EIXO SIMPLES E TRÊS EIXOS ... 291 ANEXO A – ESTUDO DA AGRESSIVIDADE DE UM TRÁFEGO . 295 ANEXO B – MÉTODO DE SIMULAÇÕES DE VEÍCULOS ... 301 ANEXO C – MODELO MECÂNICO DE VIGA ELÁSTICA ... 311 ANEXO D – CONTATO PNEU E PAVIMENTO ... 315 ANEXO E – CALIBRAÇÃO DE SISTEMAS DE PESAGEM WIM . 319
CAPÍTULO – I
Introdução
1 INTRODUÇÃO
Os sistemas de pesagem em movimento ainda não possuem desempenhos suficientes para uma aplicação com finalidade legal de identificar os veículos que transportam com excesso de carga. Os problemas relacionados a essa prática estão relacionados à segurança viária, competitividade entre os transportadores e dano ao patrimônio público. O excesso de carga é um dos principais problemas para a deterioração prematura da infraestrutura rodoviária e condição agravante nos acidentes rodoviários envolvendo caminhões.
O avanço da tecnologia de equipamentos e comunicação permite a transmissão das informações obtidas em campo em tempo quase real. As novas tecnologias de sensores de pesagem em movimento e sensores complementares permitem projetar ferramentas para a fiscalização direta dos veículos com excesso de carga. A utilização da pesagem em movimento como ferramenta para a fiscalização do excesso de carga, segundo Van Loo et al. (2017), está baseada em três pilares: aspectos legais; certificação dos sistemas e controle de qualidade de dados.
Mudanças na legislação já estão sendo realizadas, mas ainda existem outras questões que devem ser discutidas junto às câmaras temáticas do CONTRAN, como as questões administrativas de transbordo e remanejamento. A certificação dos sistemas é ainda um dos principais problemas para a fiscalização direta. No Brasil ainda não existe sistema de pesagem em movimento certificado para a fiscalização do excesso de carga de alta velocidade e instalado diretamente sobre a rodovia.
A certificação do equipamento é resultado de uma série de testes que seguem um conjunto de procedimentos estabelecidos. Para um equipamento ser certificado, ele deve ser capaz de apresentar os resultados das medições dos pesos do veículo com precisão suficiente conforme definida na regulamentação técnico metrológica do INMETRO.
Os principais problemas para o desempenho dos sistemas de pesagem, e consequentemente o não enquadramento dentro do RTM, são o comportamento dos sensores de pesagem em movimento e a irregularidade da superfície do pavimento na vizinhança dos sensores.
O foco do trabalho será entender como o comportamento da estrutura do pavimento afeta a precisão dos sistemas de pesagem em
movimento, tanto sobre o comportamento do sensor frente as variações da carga, velocidade e temperatura do pavimento, quanto como a irregularidade da superfície afeta as oscilações dinâmicas dos veículos quando trafegam sobre os sistemas e os efeitos sobre a medição da pesagem.
1.1 OBJETIVO GERAL
A pesquisa relatada nesta Tese tem por objetivo estudar como os sensores de pesagem em movimento são afetados pelo comportamento da estrutura do pavimento sob o efeito de um carregamento, e como essa relação pode ser considerada no tratamento de dados, considerando o comportamento viscoelástico dos materiais asfálticos, no intuito de aprimorar a precisão de sistemas de pesagem em movimento.
1.2 PROCEDIMENTOS PARA ALCANÇAR O OBJETIVO
Os procedimentos para alcançar o objetivo, descritos na Figura 1, consideram:
- Investigar as tecnologias de sensores, os sistemas, os algoritmos, as fontes de incertezas para o entendimento das soluções tecnológicas e suas funcionalidades no contexto da pesagem em movimento.
- Explorar ensaios realizados em laboratório e em sítios de pesquisa dedicados aos testes com sistemas de pesagem em movimento.
- Estudar e entender o funcionamento e as características dos pavimentos asfálticos frente a ação da carga e do efeito dinâmico associado aos veículos em movimento.
- Estudar a relação entre a irregularidade da superfície dos pavimentos e as oscilações dinâmicas das cargas em movimento.
- Entender o efeito dinâmico nos veículos rodoviários e como pode ser corrigido durante a pesagem em movimento para aprimorar a precisão dos sistemas.
Figura 1 – Procedimentos para alcançar o objetivo
Fonte: elaborado pelo autor
1.3 JUSTIFICATIVA
A fiscalização dos veículos de carga utilizando sistemas de pesagem em movimento diretamente sobre a faixa de rolamento das rodovias é de interesse de muitos órgãos responsáveis pela operação e segurança rodoviária no Brasil e no mundo inteiro.
Tal fato decorre porque os custos operacionais e de implantação da infraestrutura para uma estação de pesagem são elevados, especialmente para uma operação vinte quatro horas, sete dias por semana. O custo de implantação e operação, para uma solução completa de estação com sistema de pesagem em movimento (WIM), é inferior comparado ao de
um posto de pesagem veicular. A diferença entre os custos permitiria a implantação de até 10 estações WIM.
Um número considerável dessas estações permitiria, aos órgãos responsáveis pela gestão de rodovias, exercer uma maior abrangência no combate ao excesso de carga praticado pelos veículos de transporte, além de prover mais informações sobre o tráfego passante. A menor incidência de veículos com excesso de carga permite melhorar: os níveis de segurança nas rodovias, reduzindo a chance da ocorrência e a gravidade dos acidentes; a vida útil dos pavimentos, desacelerando o desgaste prematuro da estrutura e evitando o aparecimento de defeitos que contribuem para o surgimento de acidentes; a competitividade entre os transportadores, reduzindo a desigualdade do valor do frete, que é impulsionado pelo próprio processo do excesso de carga; confiabilidade no transporte de mercadorias.
Os sistemas comerciais disponíveis não são capazes de atender as especificações metrológicas para a fiscalização do excesso de carga em alta velocidade, diretamente sobre a pista de rolamento. Hoje, novas tecnologias estão disponíveis, com custo acessível, e que podem ser incorporadas aos sistemas para melhorar o desempenho da pesagem em movimento.
1.4 LIMITAÇÃO
Este estudo estará limitado pelas características únicas que envolvem uma pesquisa ampla e com diferentes condições experimentais. As condições encontradas nos experimentos realizados em Araranguá permitem avaliar e entender o comportamento dos sistemas e sensores de pesagem em movimento. Porém, tais condições não podem ser simplesmente extrapoladas para todas as condições de pavimento e aplicação das tecnologias de pesagem em movimento.
Da mesma forma, as conclusões dos experimentos realizados na pista experimental em Nantes são dependentes das condições lá existentes. Afinal, este estudo também está limitado à condições e às tecnologias de sensores de pesagem em movimento utilizados durante os experimentos e testes.
Ainda, existem outras tecnologias de pesagem em movimento que não puderam ser abordados nesse estudo e que possuem potencial como ferramenta de alta precisão. Os diferentes sistemas comerciais existentes não foram objeto desse estudo.
1.5 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
O capítulo primeiro trata das informações gerais sobre este projeto de tese, assim como relata o objetivo geral do experimento, os procedimentos para alcançar este objetivo, a justificativa da importância deste estudo e, ainda, as limitações e a organização do trabalho.
O capítulo segundo está dividido em duas partes, a primeira, disserta sobre pesagem em movimento (Weigh-in-Motion), e a segunda, aborda o estudo do comportamento dos pavimentos asfálticos.
Na primeira parte o contexto da história da pesagem em movimento no mundo e no Brasil. O experimento WIM em Santa Catarina é introduzido, seguido pelos diferentes métodos de pesagem e as especificações necessárias para a escolha do local (sítio) para uma classe de precisão dos sistemas de pesagem. Apresenta e descreve os equipamentos existentes, como os sensores e a eletrônica do amplificador de carga. Os algoritmos de cálculo para a estimação do peso dinâmico, e os métodos de calibração dos sistemas de pesagem em movimento são descritos para a função do cálculo do peso. Os fatores de incertezas relacionados a pesagem em movimento dos veículos de carga são explorados no final da primeira parte.
Na segunda parte, os pavimentos e sua constituição são apresentados sob a perspectiva da pesagem em movimento. As características do comportamento mecânico das misturas betuminosas sob a influência da carga em movimento, da temperatura e da vida de fadiga são comentadas. Introduz a noção do perfil longitudinal das superfícies do pavimento e os métodos empregados para a avaliação da qualidade funcional dos pavimentos. Em seguida, o comportamento da suspensão dos veículos de carga por meio dos modelos matemáticos e as tensões no contato pneu e pavimento são discutidos. Ao final do capítulo, duas ferramentas computacionais, utilizadas para o cálculo das reações das estruturas de pavimento sob ação de uma carga estacionária ou rolante, são discutidas.
O capítulo terceiro explora os resultados obtidos no experimento realizado no sítio experimental de Araranguá, Santa Catarina. São apresentados e discutidos os dados dos levantamentos realizados no pavimento da pista experimental e os testes com os sistemas de pesagem em movimento. Os resultados explorados, do levantamento da condição do pavimento, são: as condições do perfil longitudinal, a dinâmica dos
veículos de carga e as frequências naturais dos veículos mais representativos da frota; as características de módulo e fadiga da mistura betuminosa do sítio, e; análise da deflexão do pavimento com uso do FWD e deflextógrafo Lacroix. Os resultados explorados, com os sistemas de pesagem em movimento, são: a resposta elétrica dos sensores de diferente tecnologia instalados; avaliação da repetibilidade da resposta elétrica dos sensores, em função do eixo e velocidade; análise da dispersão dos resultados e os erros relativos e análise da aproximação de múltiplos sensores. Ao final do capítulo, os resultados práticos, obtidos com a ferramenta de pesagem em movimento e instrumentação do pavimento, são analisadas quanto à deterioração do pavimento considerando o excesso de carga.
O capítulo quarto explora os resultados obtidos na pesquisa realizada nos laboratórios do IFSTTAR e no carrossel de fadiga, em Nantes. Uma metodologia para avaliação do comportamento eletromecânico para sensores WIM é proposta. São descritas a sensibilidade do sensor sob ação da carga e deformação devido à passagem da carga. Apresenta e avalia os resultados obtidos em laboratório, nos ensaios de compressão pontual e flexão 3-pontos. São avaliados os resultados dos ensaios dos testes obtidos nas sequências de ensaios do carrossel, resultado da passagem dos braços carregados a diferentes condições de carga, velocidade e temperatura. Ao final do capítulo, é apresentada a comparação da resposta elétrica dos sensores, segundo simulação numérica a partir do comportamento eletromecânico, em comparação com os sinais obtidos nos ensaios do carrossel, com as mesmas características de carga, velocidade e temperatura.
O capítulo quinto estuda o efeito dinâmico das cargas em movimento para sistemas de pesagem em movimento e descreve uma solução para correção desse efeito. Descreve a solução baseada em múltiplos sensores de baixo custo, considerando o caso do cálculo do peso equivalente estático de cada um dos eixos individuais de um eixo tandem triplo, apresenta a resposta do sensor baixo custo, o cálculo da força ao longo do tempo, o cálculo da força média e consequentemente o cálculo da força equivalente estática de cada um dos eixos individuais. Analisa o comprimento do sítio de pesagem necessário para a obtenção da carga equivalente estática. Verifica os limites da solução segundo o número de sensores e do comprimento do sítio que são necessários para o cálculo com precisão do peso equivalente estático. Aproxima o número
necessário de sensores e o comprimento do sítio para determinar, com precisão desejada, o equivalente peso estático.
O capítulo sexto apresenta as conclusões finais do trabalho realizado e as perspectivas de continuidade.
CAPÍTULO – II
Estudos bibliográficos
2 ESTUDOS BIBLIOGRÁFICOS
Os estudos bibliográficos são organizados em duas partes: Parte I, pesagem em movimento e Parte II, comportamento mecânico dos pavimentos asfálticos.
A parte I descreve a problemática da pesagem de veículos pesados em meios rodoviários, estuda os sistemas de pesagem e as tecnologias de pesagem em movimento existentes, descreve os diferentes métodos de pesagem em movimento, ilustra o que é calibração do sistema de pesagem, estuda os métodos e algoritmos de estimação do peso estático provenientes de medidas dinâmicas e termina com uma discussão sobre os fatores ligados às incertezas das medições WIM.
A parte II descreve os princípios do comportamento dos pavimentos, examina o efeito da superfície dos pavimentos e cargas rolantes, estuda o comportamento mecânico dos materiais asfálticos, os critérios para método de dimensionamento de pavimentos (segundo o método Francês), as ferramentas de cálculo utilizadas para análise do comportamento mecânico e termina com introdução às simulações do efeito dinâmico da carga e função dos pavimentos.
2.1 PARTE I – PESAGEM EM MOVIMENTO
Pesagem em movimento, Weigh-in-Motion – WIM permite medir as forças dinâmicas dos pneus de um veículo em movimento. O sistema mede o peso bruto do veículo e a porção de peso que é transportada por cada grupo de roda, eixo, ou eixo de um grupo e estima as equivalentes medidas estáticas. Um sistema de pesagem em movimento realiza a pesagem de um veículo medindo a componente vertical da força transmitida ao pavimento (forças dinâmicas, que variam com o tempo). Em seguida, o conjunto de dados da pesagem e outras medições realizadas são combinados para o cálculo da velocidade, classificação do veículo, peso bruto total e posições laterais.
2.1.1 História da pesagem em movimento e contexto no mundo e no Brasil
WIM foi inventado nos Estados Unidos (Texas) na década de 50. Originalmente, foi usado principalmente como ferramenta para coleta de
dados de carga por eixo e peso bruto total de veículos para fins de dimensionamento de pavimentos e para o código de dimensionamento de pavimentos AASHTO. Sensores de tecnologia tipo “bending plate” estavam entre os primeiros sensores utilizados para a pesagem. A partir dos anos 70, novas tecnologias de sensores WIM foram desenvolvidas. Nos anos 80, os dados WIM foram utilizados para a calibração de código de projeto de pontes (Eurocode).
Na década de 90, a primeira norma para aplicações WIM (ASTM: E 1318) foi publicada. No mesmo período, em 1999, o projeto COST 323 foi desenvolvido e forneceu as especificações europeias para WIM. Em paralelo ocorreu o projeto de pesquisa Europeu WAVE e outras iniciativas ajudaram a melhorar as tecnologias WIM, além de novas metodologias (LCPC, 2001).
No início dos anos 2000, a precisão dos sistemas WIM foi significativamente melhorada. Houve um aumento na utilização da tecnologia para identificação de veículos com excesso de carga, e como pré-seleção em conjunto com a fiscalização. De um modo geral, os níveis de precisão observados nos equipamentos de pesagem em movimento eram suficientes para a aplicação como pré-seleção e posterior pesagem em balanças estáticas ou em equipamentos de pesagem em movimento a baixa velocidade.
Na Europa, a tecnologia WIM é usada predominantemente para dar suporte (FHWA, 2007): à pré-seleção de veículos, em tempo real, para a fiscalização móvel; à programação dessa atividade; e à adoção de ações preventivas, através da identificação de características sistemáticas da prática de sobrepeso (empresas, motoristas, tipos de empresas, veículos ou carga, etc.).
Recentemente em meados de 2012, França, Alemanha e Reino Unido, começaram a realizara a fiscalização dos veículos de carga com sistemas de pesagem em baixa velocidade (LS-WIM). No momento, a França está pesando à velocidade de 4 km/h, outros países a 10 km/h.
A legislação eslovena ainda não permite o uso de dados de pesagem em movimento, mesmo a baixa velocidade, para o controle direto de veículos sobrecarregados (FAVAI, 2006).
Até o momento, a Alemanha não busca deixar a pesagem estática pela dinâmica (FHWA, 2007). As principais razões para tal posição são: (i) os custos associados aos sistemas WIM com múltiplos sensores, considerados os mais promissores; (ii) os desafios permanentes com a confiabilidade, e; (iii) as barreiras legais existentes.
Na Holanda, cerca de 40 % (quarenta por cento) desses veículos operam sem credenciais apropriadas. Para educar esse setor da indústria, a fiscalização tem optado mais por uma abordagem preventiva (cartas, visitas técnicas, etc.), do que pela aplicação pura e simples da Lei (VAN LOO, 2007).
A República Checa possui um sistema homologado pelo Instituto Metrológico Checo (CMI), operando desde 2010, para a fiscalização em velocidade até 80 km/h. A classe de precisão aprovada do sistema é 5% para o Peso Bruto Total e 11% para o peso por eixo, grupo de eixos e eixo de um grupo (FUCIK, 2016). Nenhuma multa foi emitida por ainda não estar regulamentado o processo de penalização.
No Brasil, em 2014, o DNIT lançou os editais RDC nº 693/2014 a 696/2014, com o objetivo de construção e operação de 35 Postos Integrados Automatizados de Fiscalização (PIAF). O PIAF combina um conjunto de equipamentos integrados que permitem a operação remota. No modelo de operação, os agentes de trânsito recebem as informações transmitidas e atuam dentro do Centro de Controle de Operação (CCO). O modelo foi proposto como uma solução de transição até o processo de fiscalização direta. Caso onde os veículos sobre a rodovia são submetidos a uma única medição em alta velocidade, suficiente para o registro da infração no caso positivo.
A resolução do CONTRAN nº 258/2007 estabelece uma tolerância de 5% para peso por eixo e 5% para o Peso Bruto Total (PBT). Tolerância prevista considerando a imprecisão das balanças de pesagens lentas instaladas em PPVs. Em 2010, a resolução do CONTRAN nº 365/2010 modificou a resolução nº 258 e alterou a tolerância para 7,5%, e a resolução CONTRAN nº 467/2013 prorrogou o prazo.
O Instituto Nacional de Metrologia (INMETRO) aprovou o Regulamento Técnico Metrológico (RTM) sobre instrumentos de pesagem automáticos de veículos rodoviários em movimento, por meio da Portaria nº 375, de 24 de julho de 2013, em que avaliou as recomendações internacionais da OIML (Organização Internacional de Metrologia Legal). A Portaria nº 47, de 22 de janeiro de 2016, alterou, entre outros, os limites dos erros para o peso bruto total (PBT) em serviço é de ± 3%, e para um eixo isolado, para um eixo de um grupo e conjunto de eixos em serviço é de ±5%. No entanto, ainda são desconhecidos sistemas que obedeçam aos requisitos metrológicos estabelecidos para a medição dos pesos por eixo e PBT em alta velocidade.
Para Van Loo et al. (2008), o controle do excesso de carga no mundo segue dois caminhos: a prevenção em conjunto e a fiscalização (Figura 2).
Figura 2 – Projeção para a fiscalização do excesso de carga pelo mundo
Fonte: Van Loo et al. (2008)
O Instituto Francês de Ciência e Tecnologia de Transportes, Desenvolvimento e de Redes (IFSTTAR), isto é, l'Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l’Aménagement et des Réseaux, iniciou no ano de 2013 uma pesquisa para estudo de sistemas de pesagem em movimento, buscando compreender a relação entre o comportamento dos sensores e a estrutura do pavimento no momento durante a aquisição de dados. Tal pesquisa tem o objetivo de identificar maneiras de melhorar a precisão dos sistemas de pesagem em movimento o que, possivelmente, permitirá a fiscalização direta em um futuro próximo.
Esta pesquisa é conduzida por diversos setores do IFSTTAR, mas é no Laboratório Auscultação, Modelização, Experimentação da Infraestrutura de Transporte (LAMES), isto é, Laboratoire Auscultation, Modélisation, Expérimentation des Infrastructures de Transport, onde
são conduzidos os experimentos para a avaliação dos sensores de pesagem em movimento, instalados sobre estruturas de pavimentos acoplados ao simulador de tráfego (manège de fatigue, carrossel de fadiga de estruturas rodoviárias). O estudo avalia as diversas tecnologias de sensores de pesagem em movimento, em uma estrutura de pavimentos asfálticos, e busca as relações diretas do comportamento dos sensores para estudo da precisão dos sistemas em função da carga e do pavimento. Esse trabalho explora os resultados obtidos em ambos os experimentos. Investiga o comportamento dos sensores de pesagem quando instalados no pavimento e em seu estado natural. Procura, por meio de ensaios controlados e em condições reais de funcionamento, relacionar as fontes de incertezas quando na pesagem dos eixos dos veículos de carga que trafega as rodovias e autoestradas.
Os resultados obtidos nos experimentos conduzidos na pista experimental em Araranguá, na pista do carrossel de fadiga e laboratórios do IFSTTAR permitem a proposição de um modelo eletromecânico de sensor de pesagem e de um método de correção do efeito dinâmico sobre as medições de pesagem pelos sistemas WIM. O modelo eletromecânico busca aumentar a compreensão da interação do sensor WIM com o pavimento, buscando assim identificar os diferentes elementos que conduzem à resposta elétrica do sensor quando solicitado. O método de correção do efeito dinâmico é uma ferramenta adicional a ser integrada aos sistemas de pesagem em movimento existentes, com o propósito de ajudar a redução das incertezas relacionadas à medição da carga equivalente estática, devido à oscilação da carga transmitida ao pavimento e sensor de pesagem no contato com o pneu. Em um primeiro momento tal oscilação será considerada como um evento aleatório e que varia para cada veículo.
2.1.2 Experimentos com WIM em Santa Catarina e no Rio Grande do Sul
No Brasil, uma pesquisa conjunta entre o Departamento de Infraestrutura de Transportes (DNIT) e a Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), conduzida pelo Laboratório de Transportes e Logística (LabTrans), desde 2007, vem estudando as diversas tecnologias de pesagem em movimento, com a finalidade de prover informações suficientes para a aplicação legal de uma ferramenta para fiscalização do excesso de carga e coleta de dados de tráfego.
A proposta inicial desta pesquisa realizada é estudar as características de diversos sistemas comerciais de pesagem em movimento dentro da realidade brasileira, no que diz respeito aos materiais, à concepção das estruturas dos pavimentos, às características do tráfego e, ainda, do clima. Para tanto, uma pista de 700 metros foi construída próxima ao posto de pesagem na BR-101, no município de Araranguá, no estado de Santa Catarina. Neste segmento, foi mantida a mesma estrutura do pavimento empregado para a duplicação da BR.
Os resultados desta pesquisa mostraram a viabilidade dos sensores para coleta de dados, assim como os benefícios da atuação da pré-seleção de veículos suspeitos de estarem trafegando com excesso de carga. Outro resultado importante foi a falta de compatibilidade, em longo prazo, entre a estrutura do pavimento (estrutura flexível composta por uma mistura asfáltica convencional) e os sensores instalados.
O primeiro experimento com tecnologias WIM em Araranguá foi concebido no final de 2007, dentro do termo de cooperação entre o DNIT e a UFSC, conduzido pelo Laboratório de Transportes e Logística (LabTrans), desde 2007. O sítio experimental começou a ser desenhado em setembro de 2008, quando o pavimento da pista experimental foi construído. Os trabalhos realizados no sítio experimental estão divididos em duas linhas de ações: 1) sistemas WIM para pesagem de veículos de carga e 2) análise das estruturas de pavimento frente as solicitações do tráfego.
O sítio de Araranguá é dividido entre estação integrada, pista experimental e posto de pesagem, Figura 3. A estação integrada foi projetada com o propósito de servir como base para testes com sistemas WIM comercialmente disponíveis no mercado. A pista experimental foi projetada para ser o local dos testes com sistemas de múltiplos sensores de pesagem em movimento e análise do comportamento do pavimento. Ela foi projetada para ser uma terceira faixa da BR-101, servindo também como entrada para o posto de pesagem.
A pista experimental, serve como local para os testes com sistemas e sensores, considerando aplicações para fiscalização direta. O Posto de Pesagem é uma estação de pesagem, do DNIT, que opera nas ações de controle do excesso de carga da fração do tráfego pesado que trafega no sentido sul. No posto são testadas as funcionalidades do PIAF e a comunicação com o centro de comunicação localizado no DNIT/Florianópolis.
Figura 3 – Sítio experimental de Araranguá – SC
Fonte: elaborado pelo autor
Os sistemas WIM instalados são das tecnologias piezo-polímero, piezo-quartzo e célula de carga a base de extensômetros. A pista da BR-101 com os sensores WIM instalados à esquerda da imagem, à direita, os equipamentos de foto (OCR) e aquisição de dados, ver Figura 4. A pista da estação integrada possui duas faixas de rolamento com 200 m de comprimento, cada faixa com 3,6m, e um acostamento à esquerda de 2,5 m, em desnível (~5 cm).
Na pista experimental, quatro tecnologias de pesagem em movimento são instaladas. As tecnologias foram escolhidas com o objetivo de testar suas funcionalidades em condições brasileiras de estrutura de pavimento e de frota de veículos. Múltiplas linhas de sensores WIM, Figura 5, foram projetadas para permitir diferentes configurações com os sensores, tecnologias piezoeléctricas quartzo, polímero, cerâmico e tecnologia óptica. Também foi instalado um sistema de análise do comportamento mecânico do pavimento. Esses foram instalados nas camadas da estrutura do pavimento e fornecem informações do comportamento mecânico do pavimento.
A pista experimental possui 700 m e possui uma única faixa de rolamento de 3,6 m de largura. A pista é separada pelas faixas da BR-101 por uma faixa de segurança à direita do fluxo. No lado esquerdo, um acostamento de 3 m com defensa metálica. Os sensores WIM estão a 340 m da entrada da pista experimental, os sensores ocupam uma superfície de 80 m da pista, faltando os 280 m até a saída (ou BR-101, ou PPV).
Figura 4 – Equipamentos na estação integrada do sítio experimental
Fonte: elaborado pelo autor
Figura 5 – Equipamentos múltiplos sensores WIM instalados na pista experimental
Fonte: elaborado pelo autor
A estrutura do pavimento adotada para o projeto da pista experimental foi a mesma estrutura projetada para a duplicação da BR-101 nesse trecho. Uma estrutura composta por quatro camadas mais o subleito natural. O método aplicado para o dimensionamento foi o da Resiliência e utilizando, para verificação das soluções estabelecidas, análise Mecanística. O número N de projeto é 1,13 10 , o índice de suporte do subleito de 15,1%, deflexão de projeto adotado é 40,70 10 𝑚𝑚.
O corpo da estrutura é composto por um corpo de aterro em solo areno-argiloso de 1ª categoria, classificação H.R.B como A-2-4 (predominantemente arenoso), uma sub-base composta por Macadame Seco (MS), uma base de Brita Graduada Simples (BGS) e uma camada de Concreto Betuminoso Usinado a Quente (CBUQ), Figura 6. As espessuras das camadas são: 17 cm de camada de revestimento CBUQ, 18 cm de base BGS e 20 cm de sub-base MS. A espessura do corpo do aterro variou segundo a seção transversal de terraplenagem.
Figura 6 – Estrutura do pavimento da Pista Experimental
Fonte: elaborado pelo autor
No posto de pesagem, Figura 7, o sistema de operação do DNIT realiza a fiscalização do excesso de carga dos veículos pesados que trafegam na rodovia. No modelo de operação dos PPVs, um sistema de pré-seleção (a 60km/h) seleciona os veículos potenciais infratores, ou outro sistema realiza a pesagem de fiscalização até 12 km/h, no PPV de Araranguá a balança é aferida e homologada pelo INMETRO para pesagem até 5 km/h.
