AVALIAÇÃO DO EFEITO DA REDUÇÃO DE VIAGENS SEM CARGA NO DANO DOS PAVIMENTOS

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1 AVALIAÇÃO DO EFEITO DA REDUÇÃO DE VIAGENS SEM CARGA NO DANO DOS PAVIMENTOS Arminda Almeida 1 e Luís Picado-Santos 2 1 CITTA, Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Coimbra, Rua Luís Reis Santos, , Coimbra, Portugal arminda@dec.uc.pt 2 CESUR- CERIS, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Av. Rovisco Pais, 49-1, Lisboa, Portugal Sumário Este artigo avalia o efeito que a redução das viagens sem carga tem no dano dos pavimentos. Para tal, consideram-se duas estruturas de pavimento (uma delgada e uma espessa) e definiram-se duas correntes de tráfego, uma para cada estrutura. As cargas dinâmicas (excitadas pela irregularidade superficial dos pavimentos) aplicadas pelos veículos aos pavimentos foram simuladas no TruckSIM. Os resultados mostram que uma redução das viagens sem carga de 2 para % aumenta o dano 27%. Consequentemente, o aumento da eficiência do transporte rodoviário de mercadorias não pode ser vista de forma desligada do seu efeito nas estruturas de pavimento. Palavras-chave: Pavimentos Rodoviários Flexíveis; Dano; Viagens sem carga; Simulação de veículos 1 INTRODUÇÃO Os sistemas de transporte, em particular o transporte rodoviário de mercadorias, devem ser o mais eficiente possível de modo a transportar a totalidade da carga com o menor número de viagens. Essa eficiência pode ser conseguida aumentando o fator de carga (relação entre a carga transportada e carga máxima que pode ser transportada) ou diminuindo o número de viagens sem carga. A Fig. 1 apresenta a variação (valor máximo, médio e mínimo) das percentagens de veículos sem carga (veículoquilómetro) entre 22 e 2 e a Fig. 2 apresenta, para o mesmo período, os fatores de carga (em massa) calculados para o veículo articulado de 2+3 eixos, a partir da base de dados do Eurostat [1]. Esses fatores de carga foram calculados dividindo, primeiro as toneladas-quilómetro transportadas pelos veículos-quilómetro, e de seguida o valor obtido pela carga máxima que pode ser transportada (26 t). Para todos os países, a percentagem média de viagens sem carga é cerca de 2% e o fator de carga médio é cerca de,7. Fig. 1 Percentagem de veículos sem carga (entre 22 e 211) [1] 1

2 Fig. 2 Fator de carga para o veículo articulado de 2+3 eixos (entre 22 e 211) [1] Como veículos mais carregados são mais gravosos para as estruturas de pavimento, é importar avaliar o efeito do aumento da eficiência no dano das estruturas de pavimento. Este artigo avalia o efeito da redução das viagens sem carga. Para tal, definiu-se uma corrente de tráfego com fator de carga e percentagem de viagens sem carga em correspondência com as médias obtidas a partir da base de dados do Eurostat. De seguida, criaram-se correntes de tráfego com menores percentagens de veículos sem carga e avaliou-se o seu efeito no dano das estruturas. Os veículos da corrente se tráfego foram simulados no software de simulação de veículos TruckSIM [2]. Uma vez que este software permite obter perfis de carga dinâmicos, foram consideradas pavimentos com diferentes níveis de irregularidade definidos a partir do valor de IRI (International Roughness Index). São ainda consideradas duas estruturas de pavimento, uma delgada e um espessa. 2 DESCRIÇÃO DA METODOLOGIA DE CÁLCULO A metodologia de cálculo tem por base a metodologia de dimensionamento de pavimentos correntemente usada uma vez que considera o dano à fadiga (avaliado pela extensão de tração na base das camadas ligadas) e o dano à deformação permanente (avaliado pela extensão de compressão no topo do solo de fundação). Adicionalmente, usa o conceito de eixo-padrão. Porém, não calcula a resposta a um eixo-padrão mas a resposta a cada um dos eixos da corrente de tráfego, considerando assim de fatores de equivalência de carga entre eixos (EALFs) teóricos - Equação 1. O expoente da equação depende do critério de dimensionamento e respetiva lei de previsão de comportamento. Uma vez que são usadas as leis de previsão da Shell [2], o expoente é igual a para a fadiga e igual a 4 para a deformação permanente. exp Critério Critério Critério Critério Dano N eixo i eixo padrão Extensão EALF eixoi i Dano Critério Critério Critério eixopadrão Neixoi Extensão eixo padrão (1) Conhecendo os EALFs, pode-se calcular o número de aplicações de eixos-padrão usando a Equação (2). Nº de eixos Nº de aplicações de eixos-padrão EALF i Nº de aplicações de eixos-i (2) i1 2

3 Por fim, conhecendo o número de aplicações de eixos-padrão, é possível calcular o fator de agressividade (α) da corrente de tráfego para cada critério de dimensionamento usando a Equação (3). Nº de aplicações de eixos-padrão (3) Nº de veículos A Fig. 3 apresenta um esquema da metodologia de cálculo. O cálculo dos fatores de agressividade encontra-se mais detalhado na referência [3]. Essa metodologia foi implementada em VB.NET, cuja janela de interface se mostra na Fig. 4. Fig. 3 Metodologia de cálculo Fig. 4 - Interface da aplicação que calcula o dano 3

4 3 DEFINIÇÃO DO CASO DE APLICAÇÃO A metodologia descrita na secção anterior é aplicada a duas estruturas de pavimento, uma estrutura de pavimento delgada, correspondente a uma classe de tráfego T6 do manual de conceção de pavimentos Português (MACOPAV) [4], e uma estrutura de pavimento espessa, correspondente a uma classe de tráfego T1 desse manual. Considera-se que ambas as estruturas têm comportamento linear elástico, sendo apenas necessárias duas propriedades para o cálculo da resposta estrutural (módulo de deformabilidade e coeficiente de Poisson). As duas estruturas e respetivas propriedades são definidas na Fig.. Estrutura Delgada Estrutura Espessa 12 mm 2 mm Betuminosa Granular E= E(velocidade) ν=,3 E= 2 MPa ν=,3 28 mm 2 mm Betuminosa Granular E= E(velocidade) ν=,3 E= 2 MPa ν=,3 Velocidade (km/h) Estrutura delgada (MPa) Estrutura espessa (MPa) Fundação E= MPa ν=,3 Fundação E= MPa ν=,3 Fig. Estruturas de pavimento e suas propriedades Uma vez definidas as estruturas, definiu-se a corrente de tráfego que solicitará cada uma das estruturas durante o período de dimensionamento. Para tal, recorreu-se às estatísticas do Instituto Nacional de Estatística (INE) [] para examinar o parque de pesados em Portugal e sua evolução (Fig. 6 e Fig. 7). Fig. 6. Percentagem por tipo de veículo Fig. 7. Percentagem por arranjo dos eixos para os dois tipos de veículos mais usados 4

5 Em 211, o camião de 2 eixos e o veículo articulado de 2+3 eixos representaram 7% do parque automóvel de pesados. Consequentemente, as corrente de tráfego serão compostas por estes dois veículos. São definidas duas correntes uma vez que uma estrutura de pavimento mais delgada está sujeita a um menor número de veículos que normalmente é menos agressivo, em termos de cargas transportadas, e mais lento do que aquele que solicita uma estrutura de pavimento mais espessa. A Fig. 8 apresenta as correntes de tráfego consideradas, as quais foram definidas de modo a ter fatores de carga e percentagem de viagens sem carga em correspondência com as médias obtidas a partir da base de dados do Eurostat (ver Fig. 1 e Fig. 2). Essas correntes de tráfego são as correntes de referência. De seguida, reduziu-se a percentagem de veículos sem carga a qual foi distribuída igualmente pelos veículos subcarregados em 2% e pelos veículos completamente carregados. O Quadro 1 apresenta os diferentes casos de carga e respetivos fatores de carga para cada estrutura de pavimento. De modo a ter correntes de tráfego mais realistas são considerados % de veículos sobrecarregados. Contudo, como se espera que, no futuro, os veículos cumpram os pesos máximos legais, considera-se também a situação de % de veículos sobrecarregados, Quadro 2. Fig. 8. Corrente de tráfego para cada estrutura de pavimento Quadro 1. Definição da percentagem de veículos sem carga e correspondentes fatores de carga para cada uma das estruturas analisadas Caso Sem carga Subcarregados em 2% Completamente carregados Sobrecarregados em % Fator de carga da estrutura delgada Fator de carga da estrutura espessa 1 2,% 32,% 32,%,%,67, ,% 3,% 3,%,%,712,79 3 1,% 37,% 37,%,%,7,72 4,% 4,% 4,%,%,798,794,% 42,% 42,%,%,841,837 6,% 4,% 4,%,%,883,879

6 Quadro 2. Definição da percentagem de veículos sem carga e correspondentes fatores de carga para cada uma das estruturas analisadas (% de veículos sobrecarregados) Caso Sem carga Subcarregados em 2% Completamente carregados Sobrecarregados em % Fator de carga da estrutura delgada Fator de carga da estrutura espessa 1 2,% 37,% 37,%,%,641, ,% 4,% 4,%,%,683, ,% 42,% 42,%,%,726,722 4,% 4,% 4,%,%,769,764,% 47,% 47,%,%,811,87 6,%,%,%,%,84,849 A consideração de EALFs teóricos, calculados a partir da resposta da estrutura a cada um dos eixos que solicita a estrutura, implica o conhecimento dos pneus que equipam os veículos assim como o conhecimento das respetivas áreas de contacto. A Fig.9 apresenta os pneus que correntemente equipam os veículos considerados e as respetivas áreas de contacto para uma carga por eixo de 8 kn. Para cargas diferentes de 8 kn, variou-se o comprimento da área de contacto usando regressões definidas a partir de dados bibliográficos[6]. Fig.9. Pneus e respetivas áreas de contacto Como referido anteriormente são considerados pavimentos com diferentes níveis de irregularidade na simulação de veículos de modo a excitar as cargas dinâmicas aplicadas pelos veículos às estruturas de pavimento. Para tal, foram gerados perfis de irregularidade de acordo com o procedimento definido em [7] e com a composição espectral definida na norma ISO 868 [8]. A Fig. apresenta os perfis longitudinais gerados. A título de exemplo, a Fig. 11 apresenta os perfis de carga dinâmicos para o veículo articulado de 2+3 eixos quando este circula completamente carregado a 8 km/h sobre uma estrutura de pavimento com IRI igual a 2m/km. A linha a vermelho representa a carga considerada no cálculo do dano, que correspondente ao percentil 8% do perfil. Considerou-se uma carga mais relevante para atender ao conceito de repetibilidade espacial que refere que os picos de carga aplicados por corrente de veículos pesados estão concentrados em localizações específicas ao longo do pavimento originado maior dano nessas localizações [7] 6

7 Z 1 (mm) Z Z 3 (mm) Z 2 (mm) 4 (mm) Z (mm) Fig.. Perfis longitudinais gerados para valores de IRI específicos (1, 2, 3, 4 e m/km) P axle (t) P axle4 (t) P axle3 (t) P axle2 (t) P axle1 (t) Fig. 11. Perfis de carga dinâmicos para o veículo articulado de 2+3 eixos quando este circula completamente carregado a 8 km/h sobre uma estrutura de pavimento com IRI igual a 2m/km 4 APLICAÇÃO E RESULTADOS Os danos à fadiga e à deformação permanente ao fim de 2 anos são apresentados na Fig. 12 e na Fig. 13, respetivamente para a estrutura delgada e para a estrutura espessa. 7

8 Fig. 12. Variação do dano com a percentagem de viagens sem carga para a estrutura delgada Fig. 13. Variação do dano com a percentagem de viagens sem carga para a estrutura espessa Quando a percentagem de viagens sem carga reduz de 2 para %, o dano à fadiga e à deformação permanente aumenta em cerca de 27% qualquer que seja o IRI inicial. Quando a percentagem de veículos sobrecarregados é %, o dano é, como previsível, mais baixo. Esse abaixamento é de cerca de %. 8

9 CONCLUSÕES Os resultados mostram claramente que o aumento da eficiência no transporte de mercadorias não pode ser vista de forma isolada, isto é, desligada do seu efeito no dano dos pavimentos. Este artigo avaliou o efeito que a redução das viagens sem carga tem no dano dos pavimentos. Uma redução de 2 para % nas viagens sem carga aumentou o dano em 27%, reduzindo significativamente a vida útil das estruturas de pavimento em serviço, o que se traduz em custos acrescidos para a administração rodoviária. Esses custos serão ainda mais elevados se em paralelo com o aumento da eficiência se tiver um aumento da irregularidade longitudinal dos pavimentos, o que é um resultado que se pode esperar em termos da evolução dessa irregularidade. 6 REFERÊNCIAS 1. Eurostat. Statistical Database - Road Transport. 213 January 4, 213]; Available from: 2. Shell, Shell pavement design manual - asphalt pavements and overlays for road traffic. 1978: Shell International Petroleum Company Limited, London. 3. Almeida, A. and L. Picado-Santos, Methodological Framework for Truck-Factor Estimation Considering Vehicle Pavement Interaction. Journal of Transportation Engineering, (2): p JAE, Manual de Concepção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional (Pavement Design Manual for the Portuguese Road Network). 199, JAE (Junta Autónoma de Estradas).. INE. Instituto Nacional de Estatística (Statistics Portugal). 212 October 212. In Portuguese]; Available from: &PUBLICACOESrevista=&PUBLICACOEStema=488&PUBLICACOESfreeText=Estat%C3%A Dsticas%2dos%2transportes. 6. COST 334, Effects of Wide Single Tyres and Dual Tyres (Final report of the Action - version 29 November 21 Taskgroup 3 Final Report). 21, European Commission, Directorate General Transport: Belgium. 7. Cebon, D., Handbook of Vehicle-Road Interaction. 1999: Taylor & Francis. 8. ISO 868, Mechanical vibration - Road surface profiles - Reporting of measured data. 199, International Organization for Standardization (ISO). 9