GESTÃO DA CONSERVAÇÃO DE REDES RODOVIÁRIAS: UTILIZAÇÃO DOS MODELOS DE PREVISÃO DO COMPORTAMENTO DOS PAVIMENTOS DO HDM-4

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1 GEÃO DA CONERVAÇÃO DE REDE RODOVIÁRIA: UILIZAÇÃO DO MODELO DE PREVIÃO DO COMPORAMENO DO PAVIMENO DO HDM-4 Adelino Ferreira, César Queiroz 2 e Ricardo ouza 3 Universidade de Coimbra, Deparameno de Engenharia Civil, Rua Luís Reis anos, Coimbra, Porugal adelino@dec.uc.p hp:// 2 Universidade de Belgrado, Faculdade de Engenharia Civil, Bulevar Kralja Aleksandra 73, 000 Belgrado, érvia 3 Universidade de Coimbra, Deparameno de Engenharia Civil, Rua Luís Reis anos, Coimbra, Porugal umário Ese arigo apresena um novo sisema de programação das inervenções de conservação dos pavimenos, designado por GENEPAV-HDM4, o qual foi desenvolvido para inegrar o isema de Gesão de Pavimenos do município de Viseu. Ao mesmo empo, foi desenvolvido para uma possível aplicação a ouros isemas de Gesão de Pavimenos em funcionameno que necessiem de uma aualização devido à recene legislação Poruguesa. Os resulados obidos pela aplicação do novo sisema de oimização da conservação de pavimenos à rede rodoviária principal do município de Viseu indicam claramene que é uma ferramena úil e aual para ajudar as insiuições rodoviárias na gesão da conservação dos pavimenos. Palavras-chave: isema de gesão de pavimenos; avaliação da qualidade; modelos de comporameno dos pavimenos; oimização; inervenções de conservação. INRODUÇÃO Com a aprovação do Decreo-Lei n.º 0/2009 de 8 de Maio [], no âmbio dos conraos de concessão, as concessionárias passaram a er que submeer ao Insiuo de Infraesruuras Rodoviárias, I.P. (InIR), um Plano de Conrolo de Qualidade (PCQ) e um Manual de Operação e Manuenção (MOM). Eses documenos, principalmene o primeiro, vieram impor a revisão de alguns isemas de Gesão de Pavimenos (GP), já que agora é essencial acompanhar a evolução de cada parâmero de esado das infraesruuras rodoviárias. Por exemplo, os GP devem considerar um modelo de previsão do comporameno dos pavimenos para cada parâmero de esado para que permiam definir as inervenções de conservação e reabiliação de modo que a concessionária cumpra os valores definidos no PCQ em cada ano do período da concessão. Os Quadros e 2 consiuem um exemplo para auoesradas em ermos de irregularidade ransversal e irregularidade longiudinal, respeivamene. Exise informação do mesmo ipo para os resanes parâmeros (fendilhameno; macroexura; ario ransversal; permeabilidade; ec.). Uma deerminada concessionária, além das inspeções aos pavimenos a efeuar anualmene para demonsrar o cumprimeno do PCQ juno do InIR e do concedene (o Esado; nos conraos de subconcessão a posição jurídica de concedene passou a ser ocupada pela EP - Esradas de Porugal,. A.), em odo o ineresse em prever o ano em que deixará de o cumprir relaivamene a algum parâmero para inervir aempadamene da forma mais económica de modo a que cumpra efeivamene quando chegar a alura de efeuar a correspondene inspeção. O incumprimeno pode levar à aplicação de mulas conrauais cujo monane global varia enre 5000 e 00000, em função da gravidade da fala, ou mulas diárias que variam enre 500 e 5000 []. endo assim, será necessário incorporar no isema de Programação das Inervenções de Conservação, ambém designado por isema de Avaliação de Esraégias de Conservação, ou, ainda mais genericamene, por isema de Apoio à Decisão (AD), modelos de previsão do comporameno das

2 infraesruuras rodoviárias para cada parâmero de esado. ó assim se poderá efeuar uma previsão do valor fuuro de cada parâmero de esado para ser possível avaliar em que ano é que se deixará de cumprir o PCQ relaivamene a algum parâmero por se esar fora do inervalo admissível. Nese arigo é proposo um AD, designado por GENEPAV-HDM4, que permie efeuar ese ipo de gesão da conservação da rede rodoviária. Quadro. Valores admissíveis da irregularidade ransversal Pavimenos novos e sempre que realizados rabalhos de beneficiação e/ou reabiliação funcional Parâmero Unidade Valor Rodeiras mm 5,0 Pavimenos em exploração Parâmero Unidade Valor Rodeiras mm 5,0 Quadro 2. Valores admissíveis da irregularidade longiudinal Pavimenos novos e sempre que realizados rabalhos de beneficiação e/ou reabiliação funcional Parâmero IRI (valor médio dos dois rodados, deerminado para roços de 00 m) Parâmero IRI (valor médio dos dois rodados, deerminado para roços de 00 m) Unidade Pavimenos em exploração Percenagem de exensão da obra 50% 80% 00% m/km,5 2,5 3,0 Unidade Percenagem de exensão da obra 50% 80% 00% m/km 2,0 3,0 3,5 2 IEMA GENEPAV-HDM4 2. Inrodução As componenes que consiuem o AD designado por GENEPAV-HDM4 são as seguines: o objeivo da análise; os dados e os modelos; as resrições; e os resulados. Ese AD uiliza os modelos de previsão do comporameno dos pavimenos uilizados no Highway Developmen and Managemen ysem - HDM-4 [2-4]. Eses modelos foram escolhidos porque são os mais uilizados por consulores, agências inernacionais e deparamenos governamenais para o esudo das consequências económicas de invesimenos em infraesruuras rodoviárias, endo sido desenvolvidos no âmbio de um esudo inernacional envolvendo vários parceiros [5]. Os modelos de comporameno dos pavimenos do HDM-4 foram implemenados no GENEPAV-HDM4 uilizando a linguagem de programação do Microsof Visual udio [6], adapando e inroduzindo novas funcionalidades a um algorimo já exisene, designado por GENEIPAV-D [7-0] previamene desenvolvido para resolver modelos de oimização deerminísicos. 2

3 2.2 Formulação do modelo de oimização O sisema GENEPAV-HDM4 é baseado num modelo de oimização que em a formulação apresenada de seguida. a) Função objeivo (minimização dos cusos oais) Min R Ca X Cu rs rs s d d r s d s s () b) Resrições Esado dos pavimenos Zs ( Zs0, Xs,..., Xs,..., X Rs,..., X Rs ), s,..., ;,..., (2) Níveis mínimos de qualidade Z s Z, s,..., ;,..., (3) Conjuno de possíveis inervenções de conservação ou reabiliação X rs Z s, r,..., R; s,..., ;,..., (4) Número de operações de conservação por ano R X rs, s,..., ;,..., r (5) Cusos para a adminisração rodoviária das inervenções de conservação ou reabiliação Cars az s, Xrs, r,..., R; s,..., ;,..., (6) Cusos para os uenes que circulam na secção rodoviária Cus uz s, s,..., ;,..., (7) Valor residual do pavimeno Vs, Z s,, s,..., (8) Orçamenos anuais R r s Cars X rs B,,..., Número de operações de conservação durane o período de análise R r 2 X rs N max s, s,..., c) Modelos de comporameno dos pavimenos Fendilhameno esruural (iniciação) N80 Dim / NC 0 ci 8.6 e () Fendilhameno esruural (progressão) C Dim ci NC. N80 N Dim ci NC 0.25 N80 N C V s, 0.25 (9) (0) se Y ci (2) NC Y ci (3) NC 0.25 Rodeiras (densificação inicial e progressão) R R R D0 D se (4) 3

4 R R D 0 D Dim DEF MMP0 C N80 0 NC 0 0 COMP 0 Dim DEF MMP C / Y MMP C lnmax,n (5) R D. 0 R 80 Irregularidade longiudinal IRI IRI Y 5 Dim 34 e NCK N C RD IRI (7) Desinegração superficial (covas e peladas) Dim N e (8) Deflexão GB.6 DEF 6.5 NC (9) CB.6 DEF 3.5 NC (20) Qualidade global (Presen erviceabiliy Index) IRI 2 5 e R 0.2 ( C P PI d) Ouras equações (ráfego; número esruural; cusos para os uenes; valor residual dos pavimenos) Número acumulado de eixos padrão Dim ( c) N AAD h c Número esruural e número esruural corrigido N N n H n C e n C d n Y 2 NC N 3.5 logcbr 0.85 (log CBR).43 (24) NCK.0 NC HB C (25) Cusos para os uenes Cu PI PI (26) Valor residual dos pavimenos PI. 5 V Crehab PI rehab. 5 (27) imbologia: AAD h é o ráfego médio diário anual de veículos pesados no ano da consrução ou da úlima reabiliação, por via; B é o orçameno no ano ; C é a área do pavimeno com fendilhameno no ano (m 2 /00m 2 ); e C n é o coeficiene esruural da camada n do pavimeno; d C n é o coeficiene de drenagem da camada n do pavimeno; C rehab é o cuso da úlima inervenção de reabiliação aplicada ao pavimeno; Ca rs é o cuso para a adminisração rodoviária da aplicação da inervenção r à secção s no ano ; Cu s é o cuso para os uenes que circulam na secção s no ano ; Cu são os cusos para os uenes no ano ( /km/veículo); CBR é o California Bearing Raio da fundação do pavimeno; COMP é a compacação relaiva média ponderada pela espessura das camadas granulares no ano (%); d é a axa de aualização do capial; DEF é a deflexão média (viga Benkelman) no ano (mm); ) 0.5 (6) (2) (22) (23) 4

5 GB DEF é a deflexão média (viga Benkelman) em pavimenos de base granular no ano (mm); CB DEF é a deflexão média (viga Benkelman) em pavimenos de base beuminosa no ano (mm); H é a espessura da camada n do pavimeno (mm); n HB é a espessura das camadas ligadas do pavimeno no ano (mm); IRI é a irregularidade longiudinal no ano (mm/km); MMP é a precipiação média mensal no ano (m/mês); Nmax s é o número máximo de inervenções que se podem aplicar na secção s do pavimeno durane o período de análise; Dim N 80 é o número acumulado de eixos padrão de 80 kn no ano (milhões eixos de 80 kn/via); ci N 80 é o número acumulado de eixos padrão de 80 kn no ano de iniciação do fendilhameno (milhões eixos de 80 kn/via); P é a área do pavimeno com reparações no ano (m 2 /00m 2 ); PI é o índice de qualidade global (Presen erviceabiliy Index) no ano ; PI rehab é o valor do PI depois de uma inervenção de reabiliação do pavimeno; R é o número oal de inervenções de conservação ou reabiliação; R é o valor médio das rodeiras no ano (mm); R é a conribuição da densificação inicial/consolidação para o valor médio das rodeiras no ano 0 (mm); D 0 R D é a conribuição da degradação esruural para o valor médio das rodeiras no ano (mm); é o número oal de secções da rede rodoviária; é a área com desinegração superficial de maeriais (covas e peladas) no ano (m 2 /00m 2 ); N é o número esruural do pavimeno no ano ; NC é o número esruural modificado do pavimeno no ano, que em em consideração a resisência da fundação; NCK é o número esruural modificado do pavimeno no ano, reduzido pelo efeio do fendilhameno das camadas beuminosas; é o número de anos do período de análise; ci é o empo aé se iniciar o fendilhameno do pavimeno (anos); c é a axa média de crescimeno anual do ráfego pesado; V + é o valor residual do pavimeno no ano + ( ); V s,+ é o valor residual do pavimeno da secção s no ano + ( ); X rs é igual a se a inervenção r é aplicada à secção s no ano, e igual a 0 no caso conrário; Y é o empo desde a consrução ou desde a úlima reabiliação do pavimeno (anos); Z s são os parâmeros de esado do pavimeno para a secção s no ano ; Z são os níveis mínimos de qualidade para cada parâmero de esado do pavimeno; C é o incremeno da área do pavimeno com fendilhameno no ano (m 2 /00m 2 ); R D é o incremeno do valor das rodeiras que resula da degradação esruural no ano (mm); é o inervalo de empo considerado como uma fração do ano (normalmene assume o valor ); é o faor de agressividade do ráfego; Φ represena as equações relaivas ao esado do pavimeno; Θ represena as equações relaivas ao valor residual do pavimeno; a represena as equações relaivas aos cusos para a adminisração das inervenções de conservação; u represena as equações relaivas aos cusos para os uenes; Ω represena as equações relaivas ao conjuno de possíveis inervenções de conservação ou reabiliação. 5

6 3 REULADO DA APLICAÇÃO DO GENEPAV-HDM4 O sisema GENEPAV-HDM4, embora seja mais adequado para aplicação a redes nacionais abrangidas pelo Decreo-Lei n.º 0/2009 de 8 de Maio [], foi aplicado à rede rodoviária de Viseu de modo a demonsrar as suas poencialidades. Esa rede rodoviária em um comprimeno oal de 6 km, os quais se dividem em 37,7 km de esradas nacionais, 27,6 km de esradas municipais, 36, km de caminhos municipais e cerca de 30 km de vias urbanas. O município de Viseu é ainda aravessado por 29,0 km de iinerários principais e 45,7 km de auoesradas. Nese rabalho foram apenas consideradas as esradas nacionais que se enconram sob jurisdição da Câmara Municipal de Viseu e as vias urbanas esruuranes, as vias coleoras e as vias disribuidoras principais da cidade de Viseu (Figura ). Figura. Rede Rodoviária de Viseu Os resulados obidos aravés da aplicação do GENEPAV-HDM4 são um plano de conservação, um relaório de cusos e um relaório de qualidade para o período de análise de 20 anos. Para a definição do plano de conservação dos pavimenos foram consideradas rês esraégias de conservação ou soluções: I: solução apenas correiva (as inervenções de conservação e reabiliação são realizadas quando o pavimeno ainge o respeivo nível mínimo de qualidade); II: solução preveniva, em que o objeivo é a minimização dos cusos de conservação; III: solução preveniva, em que o objeivo é a minimização dos cusos oais (soma dos cusos de conservação e cusos para os uenes, subraindo o valor residual dos pavimenos). Como níveis mínimos de qualidade foram considerados os valores apresenados no Quadro 3. ão valores relaivamene baixos por se raar de uma rede rodoviária municipal. Analisando os resulados obidos relaivamene aos cusos (Figuras 2 a 5) é possível reirar algumas conclusões imporanes. Para a insiuição que faz a gesão da rede rodoviária, nese caso a Câmara Municipal de Viseu, verifica-se que a solução II é a mais económica, permiindo poupar aproximadamene 5,7% relaivamene à solução I e 8,5% relaivamene à 6

7 solução III (Figura 2) em ermos de cusos de conservação. A solução III é a solução mais económica em ermos de cusos oais (Figura 5), permiindo poupar aproximadamene 43,2% relaivamene à solução I e 9,0% relaivamene à solução II. A solução I (solução correiva) é sempre a menos vanajosa, ano para a Câmara Municipal de Viseu como para os uenes da rede rodoviária. A Figura 6 apresena o PI médio esperado para oda a rede rodoviária ao longo do período de planeameno se for implemenado o plano de conservação. O PI médio em 200 foi de 2,57, verificando-se que a solução I (correiva), apesar de er maiores cusos de conservação do que a solução II (preveniva, em que o objeivo é a minimização dos cusos de conservação), apresena menores valores médios do PI. Ou seja, gasa-se mais em conservação embora a qualidade média da rede vá ser inferior durane quase odo o período de planeameno. Quadro 3. Níveis mínimos de qualidade Parâmero de qualidade do pavimeno Valor Fendilhameno Área afeada = 20,0% Covas e peladas Área afeada = 20,0% Rodeiras Profundidade média das rodeiras = 20 mm Irregularidade longiudinal IRI = 5500 mm/km Índice global de qualidade PI =,5 Figura 2. Cusos oais de conservação durane o período de planeameno Figura 3. Cusos oais para os uenes durane o período de planeameno 7

8 Figura 4. Valor residual dos pavimenos no fim do período de planeameno Figura 5. Cusos oais durane o período de planeameno Figura 6. PI médio esperado para oda a rede rodoviária 8

9 Além deses resulados agregados referenes aos cusos envolvidos e à qualidade média da rede rodoviária, o GENEPAV-HDM4 permie ober, por exemplo, informação dealhada relaiva às inervenções de conservação a implemenar em cada recho rodoviário e a evolução da sua qualidade ao longo do período de planeameno. No Quadro 4 apresenam-se as inervenções de conservação consideradas nese esudo que são consiuídas por uma ou mais ações de conservação. No Quadro 5 apresenam-se essas ações de conservação e os correspondenes cusos uniários calculados em 200 mas que se podem considerar auais devido à siuação económica verificada nos dois úlimos anos. No Quadro 6 apresenam-se os aribuos de 4 rechos rodoviários escolhidos em função do valor do PI, desde um valor muio pequeno aé um valor próximo do máximo possível (,44, 2,33, 3,30 e 4,38). No Quadro 7 apresenam-se as inervenções de conservação a aplicar nesses 4 rechos da rede rodoviária. Na Figura 7 apresena-se a evolução do PI para o recho 6 da esrada nacional EN 337 de acordo com as rês esraégias de conservação consideradas. Para ese recho rodoviário, o qual apresena um PI de 2,33, se for adoada a esraégia de conservação I, a inervenção 2 (selagem de fendas) deverá ser aplicada 5 vezes (nos anos 20, 202, 209, 2020 e 2027) e a inervenção 6 (... + membrana ani-propagação de fendas + camada beuminosa de 5 cm) deverá ser aplicada 3 vezes (nos anos 203, 202 e 2028). e for adoada a esraégia de conservação II, a inervenção 5 (... + camada beuminosa de 5 cm) deverá ser aplicada 3 vezes (nos anos 20, 205 e 2022) e a inervenção 2 (selagem de fendas) deverá ser aplicada apenas vez (no ano 2030). Por sua vez, se for adoada a esraégia de conservação III, a primeira inervenção a aplicar em 20 será mais fore, correspondendo à inervenção 0 (... + membrana ani-propagação de fendas + 2 camadas beuminosas de 5 e 8 cm, respeivamene) em subsiuição da inervenção 5. Nos resanes anos do período de planeameno ainda deverá ser aplicada a inervenção 5 (... + camada beuminosa de 5 cm) em 206, 2022 e Na Figura 8 esão represenadas as inervenções de conservação a aplicar em cada recho da rede rodoviária no primeiro ano do período de planeameno considerando a esraégia de conservação II. Quadro 4. Descrição das inervenções de conservação Inervenção de conservação Descrição Não fazer nada 2 elagem de fendas 3 Reparações 4 elagem de fendas + reparações 5 + camada beuminosa (5 cm) 6 + membrana ani-propagação de fendas + camada beuminosa (5 cm) camadas beuminosas (5 + 5 cm) 8 + membrana ani-propagação de fendas + 2 camadas beuminosas (5 + 5 cm) 9 + duas camadas beuminosas (5 + 8 cm) 0 + membrana ani-propagação de fendas + 2 camadas beuminosas (5 + 8 cm) Noa: O símbolo (...) significa que poderá ser necessário aplicar alguma inervenção prévia, como por exemplo o preenchimeno de covas e peladas. O GENEPAV-HDM4 considera iso no cálculo dos cusos de conservação. Quadro 5. Cuso das ações de conservação Ação de conservação Cuso Não fazer nada 0,00 /m 2 elagem de fendas,50 /m 2 Preenchimeno das rodeiras 9,78 /m 3 Preenchimeno de covas e peladas 9,78 /m 3 Reperfilameno 9,78 /m 3 Colocação de membrana ani-propagação de fendas 2,50 /m 2 Aplicação de beão beuminoso (5 cm) 5,94 /m 2 Aplicação de beão beuminoso (5+5 cm) 0,25 /m 2 Aplicação de beão beuminoso (5+8 cm) 2,83 /m 2 9

10 recho olução PI Quadro 6. Aribuos dos rechos rodoviários Aribuos rechos Esrada EN2 EN337 EN337 EN337- recho recho ID Classe da via Coleora Dis. Principal Dis. Principal Dis. Principal Comprimeno (m) 2928, , ,00 37,00 Largura (m) 2,00 7,00 7,00 7,50 CBR do leio do pavimeno (%) Espessura das camadas ligadas (m) 0,5 0,08 0,08 0, Número esruural 4,78 2,49 2,49 3,0 Idade do pavimeno (anos) MDA MDA de pesados axa de crescimeno 0,05 0,03 0,03 0,04 Faor de agressividade do ráfego 5,00 3,00 3,00 4,00 Fendilhameno (%) 2,53 3,92 8,47 0,00 Pele de crocodilo (%) 6,83 73,94 40,72 0,00 Covas (%) 0,00 0,0 0,00 0,00 Peladas (%) 0,00 0,00 0,00 0,00 Reparações (%) 0, 4,74 3,0 0,00 Prof. média das rodeiras (mm) 8,20 4,7,58 4,58 IRI (mm/km) PI 3,30,44 2,33 4,38 Quadro 7. Inervenções de conservação durane o período de planeameno de 20 anos Ano I 3, II 3, III 3, I, II, III, I 2, II 2, III 2, I 4, II 4, III 4,

11 Figura 7. Evolução do PI para o recho 6 da esrada nacional EN 337 Figura 8. Inervenções de conservação a aplicar no primeiro ano adoando a esraégia de conservação II 4 CONCLUÕE O AD proposo nese arigo, designado por GENEPAV-HDM4, permie resolver o problema da gesão da conservação de pavimenos envolvendo não apenas a conservação periódica mas ambém a conservação correne (selagem de fendas, preenchimeno de covas e peladas, ec.). O GENEPAV-HDM4 consiui uma ferramena úil para ajudar as insiuições rodoviárias nas arefas de gesão da conservação da rede rodoviária. Com esa ferramena elas podem anecipar que inervenções serão necessárias aplicar na rede rodoviária, onde e quando. A

12 aplicação do GENEPAV-HDM4 à rede rodoviária do município de Viseu, considerando os modelos de previsão do comporameno dos pavimenos do HDM-4, produziu resulados muio saisfaórios, o que permie concluir que eses modelos podem ser aplicados nouros GP que necessiem de aualização e revisão devido à recene legislação poruguesa []. Esa legislação implica que seja considerado um modelo de previsão do comporameno dos pavimenos para cada parâmero de esado (fendilhameno, irregularidade longiudinal, rodeiras, covas e peladas, ec.) de modo a ser possível conrolar o valor de cada um deles ao longo dos anos ou ao longo do período da concessão (normalmene 30 anos) e respeiar os valores mínimos de qualidade que consam dos conraos de concessão. 5 AGRADECIMENO Os auores agradecem à Fundação para a Ciência e ecnologia o apoio financeiro a ese rabalho aravés do Projeo PDC/ECM/2775/2009 MODA - Muli-Objecive Decision-Aid ool for Highway Asse Managemen, comparicipado pelo Fundo Comuniário Europeu FEDER. 6 REFERÊNCIA. MOPC. Decreo-Lei n.º 0/2009 de 8 de Maio. Minisério das Obras Públicas, ranspores e Comunicações, Diário da República,.ª érie - N.º 95, , PIARC. Highway developmen and managemen, volume one Overview of HDM-4. World Road Associaion, Paris, France, I, -43, Ihs, A., jögren, L. An overview of HDM-4 and he wedish pavemen managemen sysem. VI Infrasrucure Mainenance, Linköping, weden, -3, Jain,., Aggarwal,., Parida, M. HDM-4 pavemen deerioraion models for Indian naional highway nework. Journal of ransporaion Engineering, 3 (8), , IOHDM. Modelling road deerioraion and mainenance effecs in HDM-4 Final repor. N.D. Lea Inernaional Ld, David, J., Loon,., Gunvaldson, E., Bowen, C., Coad, N., Jefford, D. Professional visual sudio 2005 eam sysem. Wiley Publishing, Inc., Indiana, UA, Ferreira, A. Opimização da conservação de pavimenos de redes rodoviárias. ese de Douorameno, Deparameno de Engenharia Civil da Universidade de Coimbra, Coimbra, Porugal, Ferreira, A., Picado-anos, L., Anunes, A. A segmen-linked opimisaion model for deerminisic pavemen managemen sysems. he Inernaional Journal of Pavemen Engineering, 3 (2), 95-05, Picado-anos, L., Ferreira, A., Anunes, A., Carvalheira, C., anos, B., Bicho, M., Quadrado, I., ilvesre,. he pavemen managemen sysem for Lisbon. Municipal Engineer, Insiuion of Civil Engineers, 57 (3), 57-65, Ferreira, A., Meneses,., Vicene, F. Pavemen managemen sysem for Oliveira do Hospial, Porugal. ranspor, Insiuion of Civil Engineering, 63 (3), 57-69,