A Pista de Testes do CEDEX - Testes de aceleração em pavimentação

O Centro de Pesquisa em Transportes do CEDEX na Espanha condiciona, monitora e mede dados de mais de 240 canais distribuídos estrategicamente por toda a pista através de um Sistema de Aquisição de Dados (DAQ) da HBM: sistema DAQ MGCplus.

O que é um teste de aceleração em pavimentação?

O Teste de Aceleração em Pavimentação pode ser definido como a "aplicação controlada de cargas sobre rodas em estruturas de pavimentação com o propósito de simular os efeitos de condições de carga por longos períodos de utilização em um determinado espaço de tempo".

Existem doze instalações em escala real operando na Europa e também nos Estados Unidos, além de outras instalações no México, Brasil, África do Sul, Austrália, Nova Zelândia, China e Japão. Pode-se afirmar que, atualmente, o Teste de Aceleração em Pavimentação é uma parte essencial das pesquisas de pavimentação de estradas no mundo todo. Existem dois tipos de instalações de testes: circular e em formato linear. Fig. 1 e Fig. 2.

Sobre o CEDEX

O Centro Civil de Trabalhos de Estudo e Experimentação, conhecido por sua abreviatura em espanhol - CEDEX - é um órgão público que aplica idéias e tecnologia de ponta na engenharia civil, construção e meio ambiente. O apoio tecnológico fornecido por suas instalações e laboratórios é definido por acordos específicos. O CEDEX também desempenha um papel importante na transferência de tecnologia como parte de seu objetivo de dissiminar o conhecimento obtido.

Fig. 1: Pista de testes circular (LCPC França)
Fig. 2: Pista de testes linear (LINTRACK, Delf, Holanda)

A Pista de Testes

Fig. 3: A pista de testes do CEDEX
Fig. 4: Veículo para simulação de tráfego

A Pista de Testes do CEDEX localiza-se no centro, entre duas seções de retas com 75m cada, unidas por duas seções de curvas com um raio de 25m. Trilhos localizados no perímetro interno das pistas servem como guia para dois veículos automáticos. Fig. 3

Considerando-se que as seis seções de pavimentação em teste estão instaladas nos segmentos de reta da pista, esta instalação poderia ser classificada a partir do ponto de vista de testes dentro do segundo grupo de instalações com formato linear. O comprimento total percorrido pelo eixo com teste de carga é de 304 metros por ciclo. O segmento de curvas não é usado para fins de teste e são atribuídos a outros estudos, como materiais de superfície, tratamento de superfícies, pinturas, desgastes, etc.

O teste das seções de pavimentação é realizado nas retas e, consequentemente, os resultados são comparados com aqueles obtidos em outras pistas de teste lineares. Seis seções completas de pavimentação com 20 a 25m de comprimento podem ser testadas simultaneamente.

Enquanto que os segmentos com curva são baseados no terreno, os segmentos com reta são instalados dentro de dois tanques de testes em forma de U, impermeáveis, feitos de concreto reforçado.  O poço de testes de concreto, com 2,5m de profundidade e 8m de largura, permite a construção de diques de contenção de, pelo menos, 1,25m de altura, bem como o uso de maquinários convencionais e procedimentos de construção de estradas convencionais. A finalidade do uso de poços de testes de concreto é isolar o desempenho da pavimentação do solo ao redor, permitindo apoio homogêneo à pavimentação ao longo de cada teste e entre testes diferentes, de tal forma que os resultados são comparáveis. Também permite que o subleito seja inundado para testes em diferentes condições de água subterrânea.

Os dois veículos de testes aplicam a carga por gravidade através de seu eixo meio pesado. A carga pode ser fixada entre 5,5t e 7,5t e é fixa em 6,5t, equivalente à carga máxima permitida na Espanha para caminhões com um único eixo de carga (13t). O sistema de suspensão é pneumático. O eixo de teste está equipado com duas rodas idênticas ou uma única roda em forma de balão com pressão de inflar de 8,5kg/cm². Tanto o sistema de suspensão quanto a roda de teste de tração são usados no transporte em estradas. A velocidade de circulação é de 40km/h com uma máxima permitida de 60km/h. Fig. 4

Graças ao atuador hidráulico, a roda de teste pode ser posicionada em sete diferentes caminhos transversais, produzindo, desta forma, uma largura de 1,0m a 1,3m. O controle automático desta posição permite reproduzir uma distribuição estatística real das passagens, de acordo com o tráfego real.

Esta instalação de testes é totalmente controlada por um Centro de Controle central, localizado no centro da pista de teste. O programa de controle foi desenvolvido especificamente para esta aplicação. Desta forma, toda a instalação pode funcionar autonomamente, uma vez programada. A frequência de testes é maior que 1x106 ciclos por ano.

Medindo parâmetros

Fig. 5: Exemplo de instrumentação

Quando uma roda se move ao longo de uma estrada, tensão e deformação aparecem em qualquer ponto da pavimentação. Estas tensões e deformações dependem do tipo, magnitude e direção da carga, da estrutura da pavimentação, tipo de subleito, temperatura, profundidade, etc.

A instrumentação da pavimentação torna possível a medição de tensões e deformações que aparecem em diferentes partes da pavimentação sob a passagem de uma carga e, especialmente, aquelas que são consideradas críticas.

Para cada camada, os pontos críticos, bem como as variáveis de tensão e deformação são diferentes, e devem ser consideradas quando da escolha dos tipos de sensores e sua colocação.

Deformação por tração horizontal na parte inferior da camada de betume é considerada a variável de resposta mais importante para pavimentações flexíveis. Consequentemente, a instrumentação das camadas misturadas de asfalto é focada na medição da tensão horizontal na parte inferior da camada.

Tanto as camadas granulares quanto o solo podem apresentar falhas devido ao acúmulo de tensões verticais. Portanto, a instrumentação dos solos deve ser focada especialmente nas medições verticais de tensão e deformação.

Os sensores de deflexão da pavimentação também são colocados a fim de medir a resposta transiente sob a passagem da roda móvel. Estes sensores são colocados na parte superior da camada de asfalto e ancorados ao fundo do poço de testes.

Finalmente, uma série de sensores é instalada a fim de coletar dados do meio ambiente e carregar variáveis relacionadas, como temperatura, umidade e lençol freático, velocidade, posição transversal, etc. Fig 5

Descrição do sistema de controle da instalação

Fig. 6: Sistema de comunicação
Fig. 7: Seção transversal e galeria de instrumentação

O processo de automatização foi considerado, principalmente, durante a fase de concepção da instalação com o objetivo de chegar a um ciclo de vida de teste num modo de operação contínua com o mínimo de interrupções. Além disso, é importante ressaltar que a instalação, especialmente, os veículos e seus respectivos sistemas de controle, são protótipos, construídos e encomendados especificamente para a pista de teste da Espanha e foram desenvolvidos completamente com tecnologia europeia. Fig. 6

O Sistema de Controle da Pista de Teste do CEDEX é composto por duas partes fundamentais: o Sistema PLC e o Sistema de Aquisição de Dados, que estão ligados entre si e ambos são gerenciados por um único Computador de Controle, conectado a eles via rede Ethernet. O primeiro (Sistema PLC) é responsável por gerenciar os veículos por meio do controle de parâmetros como velocidade, posição transversal, pressão do ar dos pneus, etc., e todas as variáveis necessárias para a manutenção do veículo e segurança da instalação, além do consumo de energia elétrica, detectores de posição, etc. O outro sistema (Sistema de Aquisição de Dados) é encarregado do processo de medição da instrumentação da pavimentação.

O Sistema PLC é formado por um PLC Master que está localizado no Centro de Controle e dois PLC Slaves que estão localizados dentro de cada veículo. O PLC Master estabelece uma conexão através de uma rede Ethernet sem fio para gerenciar os PLC Slaves dos veículos.

Dados de mais de 240 canais, compreendendo strain gages, LVDT's e PT100, distribuídos estrategicamente por toda a pista são condicionados, monitorados e medidos pelo sistema de aquisição de dados (DAQ) da HBM, o comprovado sistema DAQ MGCplus. Este sistema DAQ, em uso por muitos programas de testes estruturais ao redor do mundo, bem como no Monitoramento em Engenharia Civil, foi projetado para oferecer dados de medições de alta qualidade que também podem reduzir significativamente os custos e a sobrecarga dos cabos.

Na pista de teste, uma galeria está disponível nos trechos de retas próximas às seções de teste, onde os dispositivos de alimentação e os equipamentos de aquisição de dados estão localizados, bem como as tomadas para conectar os equipamentos MGCplus. Foi, portanto, projetado para ter a menor distância possível entre o sensor e o equipamento de condicionamento para evitar influências danosas ao sinal de saída e para converter o sinal analógico em digital. Fig. 7

Tarefas de gerenciamento da instrumentação

O sistema para aquisição de dados dos sensores, que é totalmente automatizado, foi projetado e desenvolvido pelo CEDEX e realiza medições em tempo real e armazenamento no banco de dados para até 240 sensores em cada teste de medição.

As tarefas de gerenciamento são divididas em três processos:

  • Processo de gerenciamento do sensor;
  • Processo de gerenciamento;
  • Armazenamento dos dados e análise.

Processo de gerenciamento dos sensores

Uma vez que o projeto de instrumentação para cada teste foi desenvolvido e o material foi recebido, o próximo passo é registrá-lo no banco de dados do sistema do Computador de Controle. Em seguida, é hora de incluir todos as informações relevantes, como dados de definição do sensor, sua localização, o sensor ótico de inicialização da medição, datas relevantes e estado de atividade.

Após o sensor ter sido registrado na base de dados, o próximo passo é configurar os módulos MGCplus para realizar a curva de calibração de cada sensor, incluindo toda a cadeia de medição (fios e dispositivos), relacionando a medição elétrica com a medição física. Então os parâmetros gravados (taxa de amostragem, tempo, sensores ativos e trigger) são definidos com a placa gerenciadora de PCs do MGCplus e o arquivo *.MPR é salvo. Geralmente, são programadas duas diferentes taxas de amostragem: uma para gravação de variáveis estáticas e outra para variáveis dinâmicas. Fig. 8

Também há tarefas adicionais que simplificam o trabalho de manutenção da instrumentação e apresentam funções de monitoramento gráfico e numérico em tempo real das leituras.

Fig. 8: Exemplo de monitoramento gráfico do sensor

Processo de medição

Dentro do Sistema de Aquisição de Dados, existem dois tipos distintos de testes:

  • Testes dinâmicos;
  • Testes especiais.

O teste dinâmico refere-se às medições sistemáticas realizadas com a instrumentação enquanto o veículo está em movimento. Ao realizar este tipo de teste, os sensores que irão realizar a medição deverão ser previamente definidos, até um número de 240 por teste. Além disso, um arquivo com os resultados (ASCII) é criado para incluir todas as variáveis necessárias para a análise de curvas, como a temperatura da pavimentação, temperatura ambiente, número de ciclos, posição transversal, velocidade do veículo, data e hora.

Testes dinâmicos são ativados automaticamente. Eles podem ser ativados através de três diferentes eventos, que são selecionados quando o teste está sendo agendado. São eles:

  • Número de ciclos: o teste começa quando o veículo realiza um número de ciclos pré-determinado;
  • Hora: a data e hora do início da medição são indicadas;
  • Temperatura: inicia quando a temperatura da pavimentação (definida pelo usuário) alcança determinado valor.

A presença da equipe nas instalações não é necessária para este tipo de testes, que são realizados de forma ininterrupta durante sete dias.

Quando o evento que dá início a um teste acontece, o Computador de Controle instrui o PLC Master para posicionar os veículos nas condições exigidas para o teste (velocidade e posição transversal). Uma vez que os veículos estão na posição correta para o teste agendado, o Computador de Controle envia um conjunto de comandos para cada MGCplus conectado à rede Ethernet. Estes comandos transferem arquivos *.MPR com os parâmetros gravados para  dispositivo e os ativa para que estejam preparados para o processo de aquisição de dados. Ha um sensor ótico conectado a cada MGCplus para iniciar a medição. Quando o veículo selecionado passa pelo sensor ótico que ativa o início da coleta de dados, e é parado após um período de tempo, definido no arquivo de gravação. Fig. 9

 

Fig. 9: Dados registrados em um teste dinâmico

Quando os veículos completam um ciclo a partir do início da coleta dos dados, o Computador de Controle conecta-se aos equipamentos MGCplus para transferir o arquivo com os dados coletados que foram criados do DAQ para o Computador de Controle e convertido em um formato ASCII através do controle ActiveX do catman®. Tudo isso foi programado dentro de um script Visual Basic que também realiza um processamento de sinal para alterar o tempo em distância, cortar e fazer uma nova amostra, a fim de armazenar o número de amostras que são interessantes para análise.

Depois do Computador de Controle reunir todos os dados no arquivo de resultados (ASCII), o dado do Sistema PLC sobre os veículos (velocidade, posição transversal) e o dado do Sistema de Aquisição de Dados sobre o processo de medição do sensor.

Uma vez que cada parte dos dados é armazenada, o teste termina e o Sistema PLC, responsável pelo controle do veículo, recupera o controle. Este teste pode ser agendado de forma cíclica, dependendo do número de ciclos, após um determinado período de tempo ou quando aparecem os valores de temperatura desejada.

O teste especial refere-se a outro tipo de medição que deveria ser realizada com a instrumentação sem o uso do Sistema de Controle por completo, diretamente com os dispositivos MGCplus.

Gostaríamos de destacar os seguintes três tipos de testes como especiais:

  • Vestígios de Temperatura: existem dois Siemens ET200 como parte do Sistema PLC que devem ser conectados às saídas analógicas do MGCplus para ter um registro contínuo da temperatura da pavimentação e do ambiente. São usados para analisar não apenas a instrumentação, mas também os danos na pavimentação;
  • Início Manual: estes testes podem ser realizados não apenas com os veículos em movimento, mas como também com eles parados. Eles iniciam-se quando um trigger é enviado. Este tipo de teste é usado para estudar em detalhe algumas variáveis específicas quando o veículo está passando e, ao contrário dos testes dinâmicos, estes são feitos com uma frequência de amostra de até 3.000 samples por segundo. Este teste também é usado para medir a resposta de um ou de vários sensores para outros equipamentos, além dos euipados nos veículos de teste, como dispositivos FWD;
  • Início pelo Sensor Ótico: possui as mesmas características do teste com Início Manual, mas, neste caso, a medição é iniciada por um dos sensores óticos na pista de teste.