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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE TRANSPORTES CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
Gerson Severo da Trindade
AUTOMAÇÃO DO CÁLCULO DE ESFORÇOS EM ESTRUTURAS DE
PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
Santa Maria, RS, Brasil 2017
Gerson Severo da Trindade
AUTOMAÇÃO DO CÁLCULO DE ESFORÇOS EM ESTRUTURAS DE
PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
Trabalho de Conclusão apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM,RS), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Civil.
Orientador: Prof. Dr. Deividi da Silva Pereira
Santa Maria, RS, Brasil 2017
Gerson Severo da Trindade
AUTOMAÇÃO DO CÁLCULO DE ESFORÇOS EM ESTRUTURAS DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
Trabalho de Conclusão apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM,RS), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Civil.
Aprovado em 12 de dezembro de 2017:
Deividi Pereira da Silva, Dr. (UFSM) (Presidente/Orientador)
Joao Carlos Damasceno Lima, Dr. (UFSM)
Lucas Dotto Bueno, Me. (UFSM)
Santa Maria, RS 2017
AGRADECIMENTOS
Expresso minha gratidão...
À toda minha família, especialmente a minha mãe, Marielza, que não mediu
esforços para que eu continuasse estudando. Também dedico a minha irmã,
Alesandra, meu irmão, Gefferson, minha irmã, Gabriela, e meu pai, Helio por todo o
apoio durante essa importante etapa de minha vida.
Ao meu futuro sócio, amigo e irmão que a vida me apresentou, Gabriel Carrião,
pela amizade, parceria e por estar me apoiando sempre nos momentos que precisei.
Tire Tesse.
Aos meus amigos, que estiveram juntos comigo durante essa caminhada,
tornando os momentos difíceis da graduação, um pouco mais agradáveis.
À minha turma, no qual de alguma forma ou outra contribui em muito para que
eu conseguisse estar hoje finalizando meu curso. Várias ajudas que recebi, bem como
palavras de apoio mesmo para aqueles que não tive tanto contato, fica aqui meu
agradecimento.
À meu orientador, professor e amigo Deividi Pereira pela sua ajuda e sua
contribuição de conhecimento, mas além disso, por ser uma inspiração para mim de
profissional exemplar.
Ao Doutorando Lucas Dotto Bueno, pela amizade e todos os ensinamentos
sendo uma das primeiras pessoas a me apresentar o software AEMC, associado ao
SisPav, no qual este trabalho trata. Muito obrigado
A todos que já passaram pelo Grupo de Estudos e Pesquisas de Pavimentação
e Segurança viária, por todo o ensinamento que me passaram, e toda a amizade que
me proporcionaram.
A todos os membros do PET Engenharia Civil, pelo companheirismo nesses 2
anos de trabalho junto ao grupo que tenho muito orgulho de ter feito parte.
A todos os membros da ONG Engenheiros sem Fronteiras Santa Maria, os
quais me mostram a cada dia que podemos sim fazer desse mundo um lugar melhor,
obrigado por tudo. Em especial à Amanda Sagrilo, Helena Pinheiro, Victória Rosenthal
e Bárbara Righi por terem acreditado que era possível fundar um núcleo do EsF em
Santa Maria, vocês são demais.
RESUMO
AUTOMAÇÃO DO CÁLCULO DE ESFORÇOS DE ESTRUTURAS DE PAVIMENTOS
AUTOR: GERSON SEVERO DA TRINDADE
ORIENTADOR: Prof. Dr. DEIVIDI DA SILVA PEREIRA Com o avanço da tecnologia, inúmeras ferramentas de dimensionamento de pavimentos rodoviários estão sendo desenvolvidas, e muitas delas levando em conta conceitos da Mecânica dos Pavimentos. Em sua tese de doutorado, Franco (2007) desenvolveu o SisPav que tem por função o dimensionamento de pavimentos a partir de análises mecanicista-empíricas. Como ferramenta de análise de tensões e deformações, esse mesmo autor desenvolveu concomitantemente a ferramenta AEMC que determina tensões, deformações e deslocamentos de camadas. Visando a importância de um melhor entendimento no que tange o comportamento analítico das estruturas de pavimento asfáltico, esse trabalho tem por objetivo desenvolver um software capaz de automatizar a rotina de cálculo presente nessa ferramenta. Desenvolver esse programa, facilitou o entendimento de diversas estruturas, frente a carregamentos de diferentes tipos de eixo e diferentes parâmetros elásticos. Além da automação da rotina de cálculo do software AEMC, foi elaborado uma macro capaz de extrair apenas os dados de interesse das planilhas geradas pelo AEMC, assim otimizando o processo de análise de resultados. O desenvolvimento deste software, possibilitou a elaboração de estudos como o de Oliveira (2016) que em seu trabalho de conclusão de curso analisou ao total de 7776 diferentes estruturas por eixo, totalizando 46656 simulações. Além disso, em parceria com a COPPE/UFRJ, o software deste trabalho foi utilizado para analisar 38610 estruturas diferentes. Com a diminuição do tempo para cada análise e a posterior obtenção de dados de interesse, possibilitou-se que a quantidade de simulações utilizando o AEMC aumentassem, viabilizando assim, elaboração de trabalhos científicos que anteriormente seriam praticamente inviáveis sendo realizados de maneira não otimizada. Palavras-chave: AEMC; automação; software, mecânica dos pavimentos.
ABSTRACT
AUTOMATION OF THE EFFORTS CALCULATION FOR PAVEMENT STRUCTURES
AUTHOR: TRINDADE, GERSON SEVERO ADVISOR: PEREIRA, DEIVIDI DA SILVA
Following the advancement of technology, numerous pavement design tools have being developed, many of them taking into account concepts of Pavement Mechanics. In 2007, for his doctoral thesis, Franco developed the software SisPav, which function is the sizing of pavements based on mechanistic-empirical analyzes. As a stress and deformation analysis tool, Franco developed the AEMC tool that determines the stresses, deformations and displacements of the structural layers. Considering the importance of a better understanding of the analytical behavior of asphalt pavement structures, this paper aims to develop a software capable of automating the routine calculations present in this tool. The development of this program has drastically facilitated the understanding of various structures behavior caused by different types of axes and different parameters. In addition to the automation of routine calculations for the AEMC software, a macro capable of extracting only the data needed from the spreadsheets generated by the AEMC was developed, optimizing the results of the analysis process. The development of this software provided support to the elaboration of studies such as the final graduation project of Marina Frederich de Oliveira (2016), that talks about 7776 different structures per axis analyzed by the software, totalizing 46,656 simulations. Furthermore, in partnership with COPPE / UFRJ, the software of this paper was used to analyze 38610 different structures. Counting the reduction time for each analysis and the subsequent data of interest obtained, it was possible to drastically increase the number of simulations using the AEMC, making feasible the elaboration of scientific works that would be practically unviable if accomplished in a traditional way. Keywords: AEMC; automation; software; pavement mechanics.
Lista de Figuras Figura 2.1: Fluxograma básico para o desenvolvimento do Sispav .......................... 17
Figura 2.2: Interface do AEMC versão 2.1.0.0 .......................................................... 21
Figura 2.3: Seção de estrutura na ferramenta AEMC ............................................... 21
Figura 2.4: Seção de Carregamento na ferramenta AEMC ....................................... 22
Figura 2.5: Aba de Pontos de análise e resultados ................................................... 22
Figura 2.6: Dados obtidos em tela no AEMC ............................................................ 23
Figura 2.7: Exportando os resultados para arquivo do tipo “.csv” ............................. 23
Figura 2.8: Arquivo gerado após exportação dos resultados pelo AEMC ................. 24
Figura 2.9: Fluxograma sobre hierarquia de Modelo de Objeto em VBA em Excel ... 27
Figura 2.10: Habilitando Modo Desenvolvedor para edição de VBA no Excel .......... 28
Figura 2.11: Guia Desenvolvedor no Excel ............................................................... 29
Figura 2.12: Editor de script VBA .............................................................................. 29
Figura 3.1: Fluxograma do processo de simulação do AutoSim ............................... 30
Figura 3.2: Interface da IDE SciTEAutoit3 ................................................................. 32
Figura 3.3: Linhas de código da inserção de variáveis .............................................. 32
Figura 3.4: Interface do AutoSim ............................................................................... 33
Figura 3.5: Linhas de código referentes ao desenvolvimento da interface ................ 34
Figura 3.6: Linhas de código representando a inserção de imagens na interface do
AutoSim ..................................................................................................................... 34
Figura 3.7: Aba <Carregamento> do software AutoSim ............................................ 35
Figura 3.8: Aba <Estrutura> do software AutoSim .................................................... 35
Figura 3.9: Aba <Valores Únicos> do software AutoSim ........................................... 37
Figura 3.10: Linhas de código da proposição lógica a partir da escolha do número de
camadas .................................................................................................................... 37
Figura 3.11: Aba <Coordenadas> do software AutoSim ........................................... 38
Figura 3.12: Aba <Análise> do software AutoSim ..................................................... 39
Figura 3.13: Fluxograma da rotina de cálculo utilizada pelo AutoSim para realizar as
simulações em estruturas de 3 camadas .................................................................. 40
Figura 3.14: Exemplo de inserção de parâmetros da Estrutura no AutoSim ............. 41
Figura 3.15: Distribuição das coordenadas X, Y e Z na estrutura do pavimento ....... 43
Figura 3.16: Linhas de código do acionador do timer ................................................ 45
Figura 3.17: Linhas de código referentes ao término da simulação e do timer ......... 45
Figura 3.18: Linhas de código representando simulação de clique do mouse e inserção
de dados via digitação automatizada ........................................................................ 45
Figura 3.19: Linhas de código representando o fechamento automático do aplicativo
Excel ......................................................................................................................... 46
Figura 3.20: Padrão de nomenclatura do AutoSim .................................................... 47
Figura 3.21: Menu inicial do AutoSimDados versão 0.94 .......................................... 48
Figura 3.22: Escolha de pasta para iniciar a extração de dados ............................... 49
Figura 3.23: Planilha gerada pelo AutoSimDados ..................................................... 49
Figura 4.1: Geometria dos eixos rodoviários ............................................................. 51
Figura 4.2: Área de distribuição dos pontos de análise para cada eixo .................... 53
Figura 4.3: Valores obtidos x Valores gerados pelo software, para fadiga, para o ESRS
.................................................................................................................................. 54
Figura 4.4: Gráfico Tempo versus método de simulação para o Case 1 de Oliveira
(2016) ........................................................................................................................ 56
Figura 4.5: Gráfico Tempo versus método de simulação para o Case 2 da
COPPE/UFRJ ............................................................................................................ 60
Lista de Tabelas
Tabela 2.1: Critérios de ruptura de métodos de dimensionamento de pavimentos
Asfálticos (2007 apud Monismith & Brown, 1999). .................................................... 18
Tabela 3.1: Possíveis estruturas geradas a partir da configuração de estrutura do
exemplo ..................................................................................................................... 42
Tabela 3.2: Variação do tempo médio de simulação no decorrer das versões do
programa ................................................................................................................... 44
Tabela 3.3: Exemplo de nomenclatura por meio do AutoSim ................................... 47
Tabela 4.1: Matriz fatorial de dados .......................................................................... 51
Tabela 4.2: Quantidade de diferentes possibilidades de estruturas .......................... 52
Tabela 4.3: Tempo necessário para realizar simulações em diferentes métodos ..... 55
Tabela 4.4: Matriz fatorial de dados para simulações da COPPE ............................. 57
Lista de Abreviaturas e símbolos
AEMC: Programa de análise elástica de múltiplas camadas
ATR: Afundamento em trilha de roda
BGS: Brita graduada simples
BGTC: Brita graduada tratada com cimento
CA: Concreto asfáltico
CBR: determinação da relação entre a pressão necessária para produzir uma
penetração de um pistão num corpo de prova de solo, e a pressão necessária para
produzir a mesma penetração numa mistura padrão de brita estabilizada
granulometricamente
COPPE/UFRJ: Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa em
Engenharia
𝑑𝑖 : dano unitário (fadiga, deflexão admissível ou tensão limite no subleito)
DNER: Departamento Nacional de Estradas e Rodagem
DNIT: Departamento Nacional de Infraestrutura dos Transportes
𝜀𝑝 : deformação específica plástica
Ɛt : deformação específica de tração na flexão no fundo do concreto asfáltico
𝜀𝑟 : deformação específica resiliente
E: Módulo de Resiliência do CBUQ
Εc: Deformação especifica de compressão no topo do subleito
EDD: Eixo duplo direcional
ESRD: Eixo simples de rodas duplas
ESRS: Eixo simples de rodas simples
ETD: Eixo tandem duplo
ETT: Eixo tandem triplo
FEC: Fator de equivalência de carga
GEPPASV: Grupo de estudos e pesquisas em pavimentação e segurança viária
JULEA : Jacob Uzan Layered Elastic Analysis
kN: Quilo Newton
m: Metros
mm: Milímetros
MPa: Mega Pascal
MR: Módulo de resiliência
N: Número de repetições de um determinado eixo necessárias para levar um
pavimento a ruina
Ni: Número de repetições de um eixo qualquer necessárias para levar um pavimento
a ruina
Np: Número de repetições de um eixo padrão necessárias para levar um pavimento
a ruina
P: Pressão de inflação dos pneus
Q: Carga
r²: coeficiente de determinação
σadm : tensão vertical admissível no topo do subleito
t: Tonela
μ: Coeficiente de Poisson
VBA : Visual Basic for Applications
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................. 14
1.1 OBJETIVOS GERAIS ................................................................................... 15 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................ 15 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................ 16
2.1 MECÂNICA DE PAVIMENTOS ASSISTIDA POR PROGRAMA COMPUTACIONAL ................................................................................................... 16 2.1.1 Programa SisPav ........................................................................................ 17 2.1.2 AEMC ........................................................................................................... 20
2.2 LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO ............................................................ 24 2.2.1 AutoIt ........................................................................................................... 24 2.2.1.1 Sintaxe de programação ........................................................................... 25 2.2.1.2 Referente às funções ................................................................................ 25
2.2.2 Visual Basic for Applications .................................................................... 26 3 METODOLOGIA .......................................................................................... 30 3.1 DESENVOLVIMENTO DO AUTOSIM .......................................................... 30
3.1.1 IDE (Integrated Development Environment) ............................................ 31 3.1.2 Variáveis ..................................................................................................... 32
3.1.3 Interface ...................................................................................................... 33 3.1.4 Rotina de Cálculo ....................................................................................... 39
3.1.5 Tempo de simulação .................................................................................. 43 3.1.6 Nomenclatura dos dados .......................................................................... 46
3.2 EXTRAÇÃO DE DADOS .............................................................................. 48 4 ANÁLISE DE RESULTADOS ...................................................................... 50 4.1 UTILIZAÇÕES DO AUTOSIM ...................................................................... 50
4.1.1 Case 1: Definição e análise dos fatores de equivalência de carga dos eixos comerciais ..................................................................................................... 50
4.1.2 Case 2: Simulações para a COPPE/UFRJ ................................................ 56 5 CONCLUSÃO .............................................................................................. 61 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................ 62
14
1. INTRODUÇÃO
Durante anos, a escolha dos materiais utilizados na pavimentação rodoviária
foi baseada em ensaios empíricos. Atualmente, devido a novos modelos de ensaios
de laboratório e um avanço no que tange o conhecimento do comportamento dos
materiais, este modelo está sendo revisado e vem incorporando conceitos
fundamentais da Mecânica dos Pavimentos (MOTTA, 2006).
Uma estrutura de pavimento rodoviário é composta por um sistema de
camadas, que tem em sua constituição inúmeros materiais, o qual é executado sobre
uma superfície final de terraplenagem. Esse mecanismo tem por função resistir a
esforços ocasionados pelos veículos e pelo clima e, com isso, proporcionar condições
de conforto, economia, rolamento e segurança ao usuário (BERNUCCI et al., 2010;
MOTTA, 2003). Assim, pode-se resumir o dimensionamento de pavimentos como a
determinação das espessuras das camadas do pavimento, sendo elas revestimento,
base, sub-base e reforço do subleito. Esse mecanismo tem como função fazer com
que a estrutura resista ao carregamento de forma a transmitir os esforços do tráfego
para o subleito, sem que o pavimento entre em ruptura ou demais defeitos, mantendo
suas condições de rolamento, conforto, e segurança ao usuário durante o período de
sua vida útil de projeto (FRANCO, 2007).
Em 1969, o extinto DNER, atual DNIT, instituiu o método empírico de
dimensionamento de pavimentos. Esta técnica é baseada em ensaios de CBR,
fundamentando-se, também, em observações e experiências com certos materiais
tratando-se de um método generalista (COUTINHO, 2011).
Segundo Franco (2007), embora atualmente existem pesquisas e ferramentas
capazes de realizar análises mecanicistas para dimensionamento de pavimentos, a
maioria dos projetos realizados no Brasil utiliza métodos de dimensionamento
empíricos. Além disso, com o avanço da tecnologia, inúmeras ferramentas de
dimensionamento de pavimentos rodoviários foram desenvolvidas e, muitas delas,
levam em conta conceitos da Mecânica dos Pavimentos, o que compõe um caráter
mais elaborado para o entendimento real do comportamento desses materiais frente
a esforços. Em sua Tese de Doutorado na COPPE/UFRJ, Franco (2007) desenvolveu
o SisPav, software que utiliza preceitos mecanicista-empíricos para o
dimensionamento de pavimentos a partir da teoria elástica de múltiplas camadas de
Burmister (1943). Segundo o autor, o SisPav utiliza informações como: características
15
dos materiais, composição do tráfego, clima e análises das bacias de deformação
obtidas em campo para compor a análise de vida útil do pavimento e seu
dimensionamento (FRANCO, 2007).
Ao considerar a importância de análises mais elaboradas em dimensionamento
de pavimentos e o avanço tecnológico atual, o presente trabalho tem por objetivo o
desenvolvimento de um software capaz de automatizar a rotina de cálculo
apresentada pela ferramenta AEMC (Análise Elástica de Múltiplas Camadas),
presente no SisPav versão 2.1.7, com o intuito de diminuir significativamente o tempo
de realização das simulações e facilitar o desenvolvimento de pesquisas e estudos
mais precisos, com maior número de dados possível, conferindo, assim, um maior
entendimento do comportamento da estrutura de pavimentos rodoviários.
1.1 OBJETIVOS GERAIS
O referente Trabalho de Conclusão de Curso tem por objetivo desenvolver um
software capaz de automatizar o processo de cálculo através da ferramenta AEMC do
SisPav versão 2.1.7.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar a rotina de cálculo do software AEMC, bem como um padrão
na mesma;
Desenvolver o programa utilizando uma linguagem de programação
adequada;
Otimizar o programa para obter um menor tempo de cálculo;
Tornar a interface do programa mais compreensível, a fim de que os
usuários em geral possam utilizá-lo sem apresentação de dificuldades;
Desenvolver uma planilha capaz de retirar apenas os dados de
interesse dentre todas as simulações;
16
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 MECÂNICA DE PAVIMENTOS ASSISTIDA POR PROGRAMA
COMPUTACIONAL
Ao longo do tempo, engenheiros vêm discutindo sobre a condição empírica dos
métodos de dimensionamento de pavimentos asfálticos. Os métodos empíricos
possuem regras que são desenvolvidas a partir de análises e experiências com
determinadas situações, certo tipo de pavimento, certos materiais sofrendo um
determinado carregamento. Ou seja, a maior limitação dos métodos empíricos é o fato
de não possuírem generalidade de suas soluções, diminuindo, com isso, sua
confiabilidade (FRANCO, 2007).
Atualmente, tem-se buscado um entendimento mais analítico do comportamento
de pavimentos asfálticos com objetivo de reduzir a parcela empírica do
dimensionamento do mesmo. Com enfoque analítico, o pavimento é tratado como
uma estrutura completa de engenharia, tendo em vista critérios como a resistência
dos materiais e análise de tensões e deformações (MOTTA, 1991). No entanto, devido
à importância de fatores ambientais para a formação de trincas e defeitos no
pavimento asfáltico, deve-se levar em conta essa parcela empírica para o
dimensionamento de pavimentos (FRANCO, 2007).
Ainda segundo Franco (2007), esse cenário de discussão, além do avanço
tecnológico, possibilitou o desenvolvimento de softwares capazes de determinar os
valores de tensões e deformações de estruturas de pavimento, como o JULEA (Jacob
Uzan Layered Elastic Analysis), desenvolvido em 1978. A rotina JULEA utiliza a
solução de Burmister para os cálculos de tensões, deformações e deslocamentos das
estruturas de multicamadas dos pavimentos. O JULEA permite cálculo em três
dimensões, mas não realiza análises que permitam a modelagem da elasticidade não
linear.
Outro software, denominado PAVE, desenvolvido por Franco (2000), avalia o
desempenho das estruturas em relação ao dano ocasionado pela fadiga e deformação
permanente da estrutura. No entanto, o PAVE não permite o dimensionamento das
17
estruturas, realizando apenas verificações da mesma a partir de uma estrutura pré-
determinada e por fim sua verificação quanto a possíveis danos (FRANCO, 2000).
Franco (2007), em sua tese de doutorado, desenvolveu o SisPav, o qual tem por
objetivo entender melhor o comportamento mecanicista empírico de pavimentos. Com
o SisPav, o autor também desenvolveu a ferramenta AEMC (Análise Elástica de
Múltiplas Camadas), a qual permite a análise de tensões e deformações a partir de
dados de carregamento e estrutura pré-determinada pelo usuário.
2.1.1 Programa SisPav
O SisPav é um software, desenvolvido em Visual C++ por Franco (2007) em
sua tese de Doutorado, pela COPPE/UFRJ, e tem por função a realização de
dimensionamento de pavimentos a partir de análises mecanicista-empíricas. Segundo
Franco (2007), para o dimensionamento de pavimentos através do SisPav, são
levados em conta fatores como características dos materiais, condições ambientais,
clima, tráfego, análises de bacias de deformação em campo e comportamento elástico
linear e não-linear. A Figura 2.1 demonstra o fluxograma utilizado para o
desenvolvimento deste software por Franco (2007).
Figura 2.1: Fluxograma básico para o desenvolvimento do Sispav
Fonte: Franco (2007)
18
Um dos fatores essenciais para o projeto estrutural de pavimentos é o critério
de ruptura. Existem dois tipos de critérios a ruptura estrutural e a ruptura funcional. A
ruptura estrutural caracteriza o colapso de um dos materiais que compõe ou da própria
estrutura em si fazendo com que o pavimento não consiga mais resistir a cargas
impostas a ela. Assim, a ruptura funcional caracteriza-se por uma condição que o
pavimento atinge em que o mesmo apresenta diminuição na segurança, desconforto
no rolamento, grandes deformações permanentes e demais trincas (FRANCO, 2007)
De acordo com Franco (2007 apud Monismith & Brown, 1999) a consequência
da passagem de inúmeros eixos rodoviários pelo pavimento ocasiona uma diminuição
da parcela da vida útil do mesmo e essa parcela pode ser considerada como um dano
unitário. Esse dano unitário se manifesta de diversas formas na estrutura, seja através
de afundamento de trilha de roda, deformação plástica do subleito ou até trincamento
por fadiga.
Para cada um dos critérios de ruptura, existem modelos específicos que
servem como balizadores na realização de um dimensionamento estrutural de
pavimentos asfálticos como os que podem ser evidenciados na Tabela 2.1 abaixo:
Tabela 2.1: Critérios de ruptura de métodos de dimensionamento de pavimentos Asfálticos (2007 apud Monismith & Brown, 1999).
Método Critérios de Ruptura
Shell Internacional Petroleum
Fadiga em camadas estabilizadas com cimento ou asfálticas
Deformação limite no topo do subleito
Deformação permanente na camada asfáltica (estimado)
Instituto do Asfalto (MS-1)
Fadiga em camadas asfálticas
Deformação limite no topo do subleito
Austroads
Fadiga em camadas estabilizadas com cimento ou asfálticas
Deformação limite no topo do subleito
Laboratoire Central de Ponts et Chaussées (LCPC)
Fadiga em camadas estabilizadas com cimento ou asfálticas
Deformação permanente na camada asfáltica
Federal Aviation Administration (LEDFAA)
Fadiga em camadas estabilizadas com cimento ou asfálticas
Deformação limite no topo do subleito
19
Franco (2007) afirma que o critério obrigatório predominante na rotina de
dimensionamento do SisPav trata-se do critério de ruptura por fadiga do revestimento
asfáltico ou camadas cimentadas. No entanto, ressalta o autor, o projetista pode
acrescentar três critérios adicionais como: tensão limite no topo do subleito; deflexão
máxima admissível na superfície do pavimento asfáltico e a estimativa da deformação
permanente da estrutura ou o afundamento de trilha de roda.
A ruptura por fadiga, ou trincamento por fadiga, ocorre pela ação de cargas as
quais solicitam o material de forma contínua e repetida, em níveis de tensão inferiores
aos quais causariam uma ruptura no mesmo. A partir desse processo surgem
microfissuras internas que resultam na perda de resistência da estrutura. (BALBO,
2007)
Em relação ao critério principal pelo SisPav, ou seja o de ruptura por fadiga,
Franco (2007) afirma que foi utilizado o modelo obtido a partir de ensaios realizados
pela COPPE resultando na seguinte expressão:
𝑁𝑙𝑎𝑏 = 1,904.10−6. (1
𝜀𝑡)
2,821
. (1
𝑀𝑅)0,74 (2.1)
Com 𝑅2 = 0,805
E Fator campo laboratório igual a 104
Onde:
𝑁𝑙𝑎𝑏 é a vida de fadiga em laboratório;
𝜀𝑡 é a deformação específica de tração; e
MR é o módulo de resiliência da mistura asfáltica, em MPa.
Segundo Franco (2007), quando é iniciada uma análise através do SisPav, o
mesmo realiza sub-períodos de dimensionamento em que são calculados tensões e
deformações resilientes nos pontos críticos da estrutura. Com isso, danos unitários
são estimados a partir da análise dessas tensões nesses pontos críticos para cada
critério de ruptura selecionado por meio da seguinte Equação 2.2:
𝑑𝑖 =𝑛𝑖
𝑁𝑖 (2.2)
20
Onde:
𝑑𝑖 é o dano unitário (fadiga, deflexão admissível ou tensão limite no subleito);
𝑛𝑖 é o número de passagens de cada eixo do tráfego para o sub-período i;
𝑁𝑖 é o número de repetições de carga necessários para atingir a ruptura, para a
condição de clima e carregamento do sub-período i, estimado pelos modelos de
desempenho (fadiga, deflexão admissível ou tensão limite no subleito).
Por conseguinte, o dano total é o somatório de todos os danos unitários nas
camadas do pavimento em todos os pontos críticos da estrutura:
𝐷 = ∑𝑛𝑖
𝑁𝑖= ∑ 𝑑𝑖 (2.3)
𝑗
𝑖=1
𝑗
𝑖=1
Onde:
D é o dano acumulado total; e
J é o número total de sub-períodos da análise;
2.1.2 AEMC
O AEMC (Aplicativo para Análise Elástica de Múltiplas Camadas) foi
desenvolvido por Franco (2007), como uma ferramenta conjunta do seu software
SisPav e tem por função calcular as tensões e deformações necessárias para o
dimensionamento de pavimentos. Segundo o autor, esse programa se baseia na
teoria elástica de multicamadas de Burmister, no qual considera o comportamento não
linear dos materiais, determinando, assim, as tensões, deformações e deslocamentos
em pontos da estrutura.
Conforme Franco (2007), o software realiza os cálculos com base no programa
JULEA, o qual foi alterado de forma a se adaptar para o formato de entrada de dados
do AEMC. O mesmo é subdividido em três seções: <Estrutura>, <Tipo de
21
Carregamento> e <Pontos de Análise e Resultados>, como pode ser demonstrado na
Figura 2.2.
Figura 2.2: Interface do AEMC versão 2.1.0.0
Na seção de <Estrutura> são inseridos componentes que remetem à
composição estrutural do pavimento a ser analisado, como espessura das camadas,
quantidade de camadas, dados em relação a aderência, coeficiente de Poisson e
módulo de resiliência das mesmas como pode ser identificado na Figura 2.3 abaixo:
Figura 2.3: Seção de estrutura na ferramenta AEMC
Na seção de <Tipo de Carregamento>, são inseridos dados como: tipo de eixo
a ser analisado, configurações desse mesmo, pressão de inflação dos pneus e
carregamento como na Figura 2.4:
22
Figura 2.4: Seção de Carregamento na ferramenta AEMC
Por fim na seção <Pontos de Análise e Resultados>, são estabelecidas as
coordenadas de interessa as quais serão analisados as tensões e deformações como
na Figura 2.5:
Figura 2.5: Aba de Pontos de análise e resultados
Após inserir os parâmetros necessários para a análise, basta clicar no botão
<Calcular>, como na Figura 2.6, para finalizar o processo.
23
Figura 2.6: Dados obtidos em tela no AEMC
Os resultados são gerados na própria seção de <Pontos de análise e
Resultados>, facilitando assim a visualização rápida por parte do usuário. No entanto,
pode-se exportar para o Excel esses dados, como demonstrado na Figura 2.7:
Figura 2.7: Exportando os resultados para arquivo do tipo “.csv”
24
O arquivo gerado no Excel é do tipo “.csv” e apresenta inúmeros dados
referentes aos parâmetros da estrutura inseridos para cálculo como está demonstrado
na Figura 2.8.
Figura 2.8: Arquivo gerado após exportação dos resultados pelo AEMC
2.2 LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO
2.2.1 AutoIt
O AutoIt é uma linguagem de automação (scripting) para o sistema Windows e
é oferecido de forma gratuita, ou seja, se trata de um freeware. Essa linguagem foi
desenvolvida por Jonathan Bennett em 1999 e sua última versão foi lançada em 2015
conhecida como AutoIt v3.
Segundo Flesner (2007), como essa linguagem foi derivada do BASIC, o
processo de programação e aprendizado torna-se muito mais simples e prático,
podendo ser utilizado inclusive por principiantes em programação.
Essa linguagem possuí ótima extensão, ou seja, consegue de forma bem
simples, interagir com comandos do próprio Windows, como movimentar o cursor do
mouse, realizar digitação simulando o teclado, alterar configurações internas do
sistema como resolução de tela e salvar arquivos. Possuí também ampla extensão
25
com o Pacote Office, contendo inclusive comandos próprios para interagir com o Excel
(FLESNER, 2007).
Permite que seja gerado um executável a partir da compilação das suas linhas
de código, o que proporciona grande flexibilidade para a manipulação do código. O
AutoIt, por se tratar de uma linguagem autônoma, não necessita que se utilize
RunTimes, pois a própria linguagem possuí um executável (AutoIt3.exe). Possuí um
sistema de ajuda interna, o (Au3Info), que facilita para quem é iniciante em
programação ou que está se adaptando à esta linguagem (CARVALHO, 2016)
2.2.1.1 Sintaxe de programação
A partir da declaração de varáveis, é possível alocar na memória informações
e dados inseridos pelo usuário com intuito de ser utilizado ao longo do programa
(FLESNER, 2007).
Global $variável = “valor”
Segundo afirma Carvalho (2016), por se tratar de um processo de automação, a
declaração de loops e condicionais são muito importantes, pois é nelas que reside a
lógica de programação capaz de repetir, de forma satisfatória, processos de interesse
do usuário. Dentre eles, os mais conhecidos são os comandos: <If>, <Then> e <Else>.
If $variável < 2 Then
Endif
2.2.1.2 Referente às funções
Dentre algumas funções do AutoIt, o mesmo possibilita o usuário realizar movimentos
do cursor do mouse através de comandos simples do mesmo, como pode ser
identificado no código abaixo (CARVALHO, 2016).
ControlClick(“título”,”texto”,controlID,[,botão[,cliques[,x[,y]]]]
26
É possível, através de comandos simples, realizar a simulação do teclado do sistema
ressalta Carvalho (2016), como pode ser visto na expressão abaixo.
Send($variavel)
Para realizar o gerenciamento de janelas do sistema, o AutoIt proporciona uma série
de comandos como os abaixo.
WinActivate(“título da janela”[,“texto”)
WinSetState(“título da janela”[,“texto”, @SW_MAXIMIZE)
WinWait(“título da janela”[,“texto”)
WinWaitActivate(“título da janela”[,“texto”)
WinActive(“título da janela”[,“texto”)
O AutoIt possuí comandos capazes de realizar caixas de texto fazendo com que o
usuário possa inserir dados e o programa em desenvolvimento por exemplo, associar
na memória através de suas variáveis (FLESNER ,2007).
InputBox(“título”,“texto”[,“padrão”[,“password”[,dim,timeout[,hwnd)
MsgBox(flag,“título”,“texto”[,timeout[,hwmd)
2.2.2 Visual Basic for Applications
A partir da implementação do Visual Basic da Microsoft para os programas que
compõe o Pacote Office (Excel, Word, Power Point, Acess, Outlook), surge o Visual
Basic for Applications (VBA) (WALLKENBACH, 2013).
Todos os comandos que podem ser realizados a partir de movimentos do
mouse e pelo teclado podem ser realizados através de linhas de código pelo editor de
VBA. Como o próprio nome sugere, o VBA é muito semelhante ao Visual Basic, no
entanto, com o VBA, a execução das linhas de código se faz de forma interna, pois,
os mesmos estão presentes dentro dos aplicativos que compõe o Pacote Office
(MORGADO, 2016).
Segundo Wallkenbach (2013), a linguagem VBA é amplamente utilizada
quando necessitamos realizar tarefas repetitivas, como por exemplo, copiar dados de
27
várias planilhas do Excel, o que pode se tornar uma tarefa que demanda bastante
tempo para ser concluída. Com a utilização de programação, podemos automatizar
esse processo, otimizando as tarefas do usuário.
Em linguagem de programação VBA, os desenvolvedores organizam os
objetos de programação em uma hierarquia chamada de Modelo de Objeto. Cada um
dos aplicativos do Pacote Office contém objetos próprios, com funções próprias, o que
faz que se diferenciem. Segundo Morgado (2016), para modificar parâmetros dos
objetos, utilizam-se as propriedades e elas têm função de atribuir novas funções aos
objetos. E finalmente, após o objeto existir, podemos manipulá-lo e isso se faz através
dos métodos.
Figura 2.9: Fluxograma sobre hierarquia de Modelo de Objeto em VBA em Excel
Fonte: Morgado (2016)
Em resumo, os objetos seriam como os substantivos, as propriedades os
adjetivos e os métodos os verbos, afirma Morgado (2016).
O código abaixo representa o salvamento de um documento ativo no Word. O
comando Application é o objeto e remete ao próprio Word, no caso do exemplo, por
sua vez ActiveDocument trata-se de uma propriedade do objeto Application que
implica em retornar uma referência ao documento atualmente ativo e o modelo, ou
seja, a ação a ser tomada fica por conta do comando Save.
Application.ActiveDocument.Save
28
Wallkenbach (2013) afirma que o desenvolvimento de códigos capazes de
automatizar tarefas através de linguagem VBA é conhecido como Macros. Ainda
segundo o autor, esses macros são rotinas programadas a fim de executar tarefas,
dentro dos aplicativos do Pacote Office, com o intuito, na maioria das vezes, de reduzir
tempo das mesmas.
Para habilitar o uso e edição das linhas de código VBA, primeiramente, deve-
se estar com o <Modo de Desenvolvedor> habilitado, como pode ser acompanhado
nas Figuras 2.10, 2.11 e 2.12 abaixo:
a) Na guia <Arquivo>, selecione <Opção> e logo após <Personalizar a Faixa
de Opções>;
b) Em <Escolher comando em> selecione <Comandos mais usados>;
c) Em <Personalizar Faixa de Opções> no lado direito, escolha <Guias
Principais> e na listagem, selecione <Desenvolvedor>
Figura 2.10: Habilitando Modo Desenvolvedor para edição de VBA no Excel
29
Após esse processo, a <Guia Desenvolvedor> está habilitada e pode ser
acessada através do menu suspenso de qualquer um dos programas do Pacote
Office, como pode ser visto na Figura 2.11 abaixo:
Figura 2.11: Guia Desenvolvedor no Excel
Para utilizador o editor de linguagem VBA basta clicar no botão <Visual Basic> que se
encontra na guia <Desenvolvedor>.
Figura 2.12: Editor de script VBA
30
3 METODOLOGIA
Ao considerar a impossibilidade de acesso as linhas de código do próprio AEMC,
ficou comprometido o processo de automação interna da ferramenta do SisPav. Com
isso, foi necessário desenvolver um software capaz de simular os movimentos e
processos que um usuário realizaria, contudo, em menor tempo.
Assim, no presente trabalho, foi desenvolvido um software, denominado AutoSim,
capaz de automatizar as simulações realizadas por meio da ferramenta AEMC do
Sispav. Além disso, foi elaborado um programa, nominado AutoSimDados, o qual tem
por principal função a extração de dados de interesse das planilhas geradas após as
simulações, diminuindo, assim, consideravelmente o tempo para análise de dados.
Para realização do AutoSim foi utilizado a linguagem de programação AutoIt e para o
desenvolvimento do AutoSimDados foi utilizado a linguagem de programação Visual
Basic for Applications (VBA).
3.1 DESENVOLVIMENTO DO AUTOSIM
Com a análise da rotina de cálculo realizada, pôde-se ter noção de quais
abordagens seriam satisfatórias para o desenvolvimento do AutoSim. O programa foi
desenvolvido com o objetivo de simular as ações realizadas pelo usuário, de forma
que os comandos realizados pelo mesmo como: inicializar o AEMC, movimentar o
cursor do mouse, digitar os parâmetros da estrutura, do carregamento bem como os
pontos de análise e salvar o arquivo. Inicialmente, foi desenvolvido um fluxograma
para organizar o processo de simulação e com isso posterior desenvolvimento do
software, como está abaixo na Figura 3.1.
Figura 3.1: Fluxograma do processo de simulação do AutoSim
31
3.1.1 IDE (Integrated Development Environment)
Algumas linguagens de programação foram utilizadas no início para o
desenvolvimento do programa desse trabalho como Fortran, C++, Python e Java. No
entanto, como essa rotina demandou a automação de um grande número ações
anteriormente realizadas pelo usuário como, mover o cursor do mouse, a linguagem
de programação AutoIt, explicitada no item 2.2.1, foi a que melhor se adaptou a esse
processo. Para realizar a escrita das linhas de código do software, foi utilizada uma
IDE, baseada no editor SciTE chamado SciTEAutoit3. Esta IDE facilitou a escrita dos
comandos, pois além de possuir inúmeros exemplos de códigos, possuí também um
sistema de ajuda inteligente e um compilador integrado.
Inserir dados da estrutura
Inserir dados do
carregamento
Inserir pontos de análise
Calcular
Salvar arquivo em "csv"
32
Figura 3.2: Interface da IDE SciTEAutoit3
3.1.2 Variáveis
As variáveis foram utilizadas, em sua grande parte, para armazenar os dados
que o usuário irá fornecer, como dados da estrutura, carregamento e pontos de
análise. Devido ao número elevado de variáveis presentes nesse trabalho, foi
necessário agrupá-las. Esse processo de agrupamento de variáveis se chama Array
e foi amplamente utilizado no desenvolvimento do AutoSim.
Figura 3.3: Linhas de código da inserção de variáveis
O AutoSim utiliza comandos automatizados que simulam movimentos do cursor
do mouse e digitações do teclado em áreas específicas do software AEMC. Logo, para
33
que fosse possível a elaboração do mesmo, todo o processo de escrita das linhas de
código foi baseado em uma resolução de tela predefinida como < 1366 x 768 > para
que o usuário não necessite alterar sua resolução de forma manual.
3.1.3 Interface
Para que o programa pudesse ser utilizado de forma satisfatória pelo usuário,
foi desenvolvido uma interface para o AutoSim. A mesma é dividida em cinco abas:
<Carregamento>, <Estrutura>, <Coordenadas>, <Análise> e <Valores únicos> como
pode ser visto na Figura 3.4 abaixo:
Figura 3.4: Interface do AutoSim
Importante salientar que no desenvolvimento da interface, cada campo que o
usuário pode preencher foi associado a uma variável específica, com isso, o software
34
armazena os dados inseridos pelo mesmo na interface e posteriormente utiliza na
rotina de cálculo, como pode ser observado nas linhas de código da Figura 3.5.
Figura 3.5: Linhas de código referentes ao desenvolvimento da interface
Para inserir as figuras presentes no AutoSim, foi predeterminada uma pasta
que contêm todas as imagens necessárias para o funcionamento ideal do programa e
as mesmas foram posteriormente inseridas dos comandos da Figura 3.6.
Figura 3.6: Linhas de código representando a inserção de imagens na interface do AutoSim
A interface possuí elevada importância, pois é nela que o usuário do AutoSim
irá inserir todos os parâmetros necessários para a automação das simulações.
Portanto, a interface do próprio AEMC não é mais necessária para manuseio,
restringindo apenas ao uso do AutoSim, facilitando para o usuário. O programa foi
desenvolvido pensando na maior praticidade e maior automação possível nos
processos de cálculo envolvidos, logo, alguns parâmetros que não existiam no próprio
AEMC, foram adicionados ao AutoSim para que o loop de simulações seja realizado
de forma satisfatória.
Na aba <Carregamento>, como demonstrado na Figura 3.7, o usuário irá inserir
o tipo de eixo utilizado, pressão de inflação dos pneus, carga e valores referentes a
geometria do eixo como Sx e Sy.
35
Figura 3.7: Aba <Carregamento> do software AutoSim
Na aba <Estrutura>, por sua vez, o usuário deve preencher dados referentes a
composição da estrutura o qual se deseja realizar a análise. O AutoSim permite três
ou quatro camadas e quando selecionamos uma destas opções, o programa altera o
processo de cálculo vigente. Para que o programa realizasse a rotina de cálculo de
forma automática, foi necessário adicionar parâmetros a serem inseridos pelo usuário,
como os campos: <Inicial>, <Final> e <Passo> presentes na Figura 3.8. O processo
de automação se baseia por completo nesse princípio, ou seja, o usuário insere o
valor <Inicial>, por exemplo da carga, logo após o valor <Final>, que seria o valor
máximo desejado para sua análise e o <Passo> do qual será acrescido a cada
simulação. No término de cada análise o AutoSim irá acrescer do <Passo> o valor
<Inicial> e, por conseguinte realizar a próxima simulação, até que esse valor seja igual
ou menor que o valor <Final>. Isso acarreta maior autonomia ao programa e também
facilita para o usuário, pois ele não necessita inserir todos os valores que serão
utilizados para o cálculo, basta apenas inserir uma “faixa de interesse”, ou seja,
valores <Inicial>, <Final> e <Passo>, para que o programa inicie as simulações.
Essa mecânica é interessante, pois em pesquisas, geralmente é analisado um
Range de valores a fim de elaborar comparativos e gráficos que permitam entender
melhor a estrutura em estudo.
Figura 3.8: Aba <Estrutura> do software AutoSim
36
Contudo, o AutoSim também possibilita que o usuário insira valores únicos dos
parâmetros em questão, limitando o número dos mesmos até quinze variáveis, pois,
com o acréscimo indeterminado, a rotina de cálculo poderia se tornar extremamente
complexa, a ponto de inviabilizar o desenvolvimento deste software.
Quando a opção <Valores únicos (SisPav)> da aba <Carregamento> é
selecionada, o usuário deve utilizar a aba <Valores únicos> no programa para
preencher os campos necessários a simulação. Após sua seleção, a rotina interna de
automação é alterada. Como explicado anteriormente o AutoSim realiza seus loops a
partir dos dados de <Inicial>, <Final> e <Passo>, com isso, essa rotina não é mais
compatível, pois o próprio usuário está indicando os valores a serem utilizados no
processo de simulação automática.
37
Figura 3.9: Aba <Valores Únicos> do software AutoSim
Basicamente, o AutoSim possuí em suas linhas de código, duas importantes
condicionais < If >, ou seja, comandos lógicos utilizados em programação que quando
determinada proposição se torna válida ou não, o programa realiza determinada ação,
como pode ser identificado na Figura 3.10 abaixo:
Figura 3.10: Linhas de código da proposição lógica a partir da escolha do número de camadas
Quando a opção <3 camadas> é selecionada, por exemplo, os valores da
<Camada 4> presentes na interface do programa, não serão armazenadas pelo
AutoSim, e a estrutura inteira do loop da simulação será modificada.
Outro fator importante é que o programa automaticamente subentende que a
última camada se refere ao Subleito, com isso, para questões de análise, a espessura
do mesmo é predeterminada como infinita, não necessitando ser especificada pelo
38
usuário. Não se definiu o sistema de <Inicial>, <Final> e <Passo> para os parâmetros
de aderência e coeficiente de Poisson, no entanto posteriormente pode ser
implementado. Contudo, pesquisas nesse âmbito podem ser realizadas, apenas para
cada mudança de Aderência ou Coeficiente de Poisson, deverá ser iniciado o
processo de automação novamente.
Um dos pontos importantes para a realização de simulações, a partir do AEMC,
são as coordenadas de análise. No AutoSim, as inserções desses dados pelo usuário
podem ser realizadas na aba <Coordenadas> como pode ser identificado na Figura
3.11 abaixo:
Figura 3.11: Aba <Coordenadas> do software AutoSim
O AutoSim possui capacidade para receber cento e dez coordenadas distintas,
tanto no eixo “x” como para o eixo “y”. A elaboração do sistema de coordenadas foi
um dos maiores desafios para a elaboração do software deste trabalho e muito dessas
dificuldades surgem a partir da análise do eixo “z”. Esse eixo refere-se à profundidade,
e por serem coordenadas que depende inteiramente das espessuras das camadas,
tornou o processo de sua automação mais complexo, sendo este o fator de maior
tempo demandado para a elaboração do AutoSim.
Após inserir as coordenadas de interesse o usuário necessita definir o tipo de
análise que será realizada das camadas, ou seja, determinar os parâmetros para que
39
o software delimite de forma automática as coordenadas do eixo “z”. As inserções dos
dados referentes à análise são realizadas na aba <Análise> como pode ser visto na
Figura 3.12.
Figura 3.12: Aba <Análise> do software AutoSim
3.1.4 Rotina de Cálculo
A estrutura interna de cálculo do AutoSim apresenta uma ordem de simulação
para cada uma das possíveis estruturas das quais o usuário necessita para análise.
Inicialmente a simulação é realizada com os valores <Iniciais> inseridos pelo usuário,
sendo caracterizada como a primeira simulação. As demais, advém de processos
iterativos, em que é acrescido o “Passo” para cada um dos parâmetros de interesse
relacionados tanto à estrutura, quanto ao carregamento. A ordem utilizada para
acréscimo dos passos na simulação se encontra no fluxograma da Figura 3.13.
40
Figura 3.13: Fluxograma da rotina de cálculo utilizada pelo AutoSim para realizar as simulações em estruturas de 3 camadas
Ou seja, primeiramente todas as simulações são feitas realizando as iterações
dos <Módulo de Resiliência da Camada 1> de modo que o valor do módulo seja igual
ou menor que o valor <Final>, também inserido pelo usuário. Logo após, o AutoSim
retorna à variável <Módulo de Resiliência da Camada 1> o valor inicial indicado pelo
usuário e acrescenta o <Passo> a o valor do <Módulo de resiliência da Camada 2> e
assim por diante. Desta forma, todas as possíveis iterações de estruturas serão
realizadas pelo AutoSim. A ordem da rotina de cálculo foi elaborada dessa forma por
uma questão de redução de tempo para a realização de cada análise. Para explicar
melhor o funcionamento do AutoSim, foi utilizada como exemplo uma estrutura típica
e realizou-se suas simulações para identificar sua rotina de cálculo. Foi utilizado
apenas parâmetros de espessura e módulo de resiliência das camadas, como
indicado na Figura 3.14. No entanto, durante o processo de análise, o usuário deverá
inserir diversos outros dados, servindo este, apenas de ilustração para a rotina de
cálculo.
Módulo de Resiliência da
Camada 1
Módulo de Resiliência da
Camada 2
Módulo de Resiliência da
Camada 3
Espessura da Camada 1
Espessura da Camada 2
Carga (Ton)
Pressão de inflação dos Pneus (MPa)
41
Figura 3.14: Exemplo de inserção de parâmetros da Estrutura no AutoSim
Caso o usuário necessite fixar parâmetros, como no caso da espessura da
“Camada 2” no exemplo, que será fixada em 20 cm, basta inserir o valor <Inicial> e
<Final> iguais e para o <Passo> inserir o número “1”. Com isso o software identifica
que se deseja fixar este valor e não o utiliza na sua rotina de acréscimo das variáveis.
Com esta configuração de dados, o AutoSim irá simular as seguintes estruturas da
Tabela 3.1:
42
Tabela 3.1: Possíveis estruturas geradas a partir da configuração de estrutura do exemplo
Pode-se observar que a estrutura 2 possui o módulo de resiliência da “Camada
1” acrescido do <Passo>, de mesmo modo, a “Estrutura 3” apresenta a espessura da
“Camada 1” acrescido do <Passo>.
Para realizar as análises através do AEMC, deve-se informar os pontos ou
coordenadas na qual é necessário uma análise na estrutura. Quando analisado de
forma manual através do AEMC, ou seja, sem a utilização do AutoSim, devemos
informar os valores das coordenadas nos eixos “x”, “y” e “z”. A Figura 3.15 ilustra o
funcionamento dessas coordenadas na análise a partir do AEMC.
43
Figura 3.15: Distribuição das coordenadas X, Y e Z na estrutura do pavimento
Fonte: Slazchta (2015).
No entanto, para realizar uma análise através do AutoSim, não é necessário
informar as coordenadas do eixo “z”, apenas as do eixo “x” e “y”. Após o usuário
delimitar suas coordenadas do eixo “x” e “y” de interesse, o mesmo deve informar o
número de coordenadas as quais será utilizado para análise, esse fator é relevante
para que o AutoSim identifique até qual varável o mesmo deve armazenar e utilizar
em seus processos internos de cálculo.
3.1.5 Tempo de simulação
Durante o desenvolvimento do software, um dos parâmetros de maior interesse
e que continuamente foi aprimorado, era o fator tempo. Em 2015, no início do processo
de desenvolvimento do AutoSim, o mesmo apresentava um tempo de simulação
relativamente alto devido ao sistema rudimentar utilizado para realizar as análises
automaticamente. O processo de automação, em suas primeiras versões, era
44
realizado através de um software terceiro que memorizava ações do usuário como
movimentos do mouse e teclado.
No entanto, com o desenvolvimento de novas versões do AutoSim, o mesmo
apresentou progresso no que tange otimização e rapidez na execução das análises.
Contudo, ressalta-se que o AEMC realiza cálculos de uma estrutura qualquer com o
tempo aproximado de 0,20 segundos, ou seja, um tempo muito inferior se comparado
ao atingido atualmente pelo software deste trabalho. Devido a impossibilidade de
acesso as linhas de código do próprio AEMC, esse processo de automação interna
da ferramenta do SisPav ficou impossibilitado. Logo, a alternativa seria realizar as
simulações “imitando” os movimentos e processos que um usuário realizaria, no
entanto, em um curto tempo. A Tabela 3.2 relaciona o fator tempo ao longo do
desenvolvimento do AutoSim:
Tabela 3.2: Variação do tempo médio de simulação no decorrer das versões do programa
Versão do AutoSim
Data *Tempo
(s)
0.01 08/03/2015 32
0.3 19/03/2015 24,3
0.84 05/05/2015 19
2.53 27/01/2016 13,5
2.67 15/02/2016 6,3
2.7 09/06/2016 5.2
3.0 27/08/2017 4.3
*Tempo médio para 1 simulação
Em relação ao cálculo do tempo médio das análises, foram executadas mil
simulações, de forma automática, em todas as versões do AutoSim e logo após
determinado a média dos mesmos. Para que a contagem fosse a mais precisa
possível, foi inserido um timer interno no software através de linhas de código. Logo
após o usuário clicar no botão <Simular> o programa inicia a contagem do tempo de
execução do mesmo.
45
Figura 3.16: Linhas de código do acionador do timer
Fonte: Imagem ilustrativa de autoria própria
Após o término das simulações, o AutoSim armazena o valor do timer em uma
variável que logo após é indicada ao usuário em tela como pode ser demonstrado na
Figura 3.17.
Figura 3.17: Linhas de código referentes ao término da simulação e do timer
O processo de otimização de AutoSim baseou-se principalmente na diminuição
do tempo necessário para inserção de dados e movimentação do cursor. Nas versões
anteriores, que despendiam maior tempo, os movimentos do cursor do mouse
apresentavam tempo de movimentação e a inserção de dados através da simulação
do teclado também, o que ocasionava uma perda relativamente grande em tempo.
Com comandos do AutoIt capazes de suprimir esses movimentos o processo de
inserção de dados se tornou praticamente instantâneo.
Figura 3.18: Linhas de código representando simulação de clique do mouse e inserção de dados via digitação automatizada
Outro fator que faz com que esse tempo aumente é o poder de processamento
do computador que está rodando o AutoSim. A cada simulação realizada têm-se o
46
salvamento dos arquivos e posterior exportação para o Excel. Logo após a exportação
o Excel é aberto de forma automática pelo próprio AEMC o que faz com que se tenha
uma perda em tempo desnecessária e podendo ser elevada devido ao processador
do computador. Para tentar otimizar essa questão foram inseridas linhas de código
capazes de fechar automaticamente o Excel antes mesmo de sua devida inicialização,
como podem ser acompanhados pela Figura 3.19..
Figura 3.19: Linhas de código representando o fechamento automático do aplicativo Excel
3.1.6 Nomenclatura dos dados
Um dos problemas enfrentados, quando se trata de geração de grande volume
de dados, é a dificuldade de encontrar os objetos de interesse da pesquisa. Devido
ao elevado número de planilhas geradas após as simulações fez-se necessário um
mecanismo de identificação das mesmas a fim de facilitar o trabalho ao usuário. Com
isso, foi desenvolvida uma nomenclatura padrão para os arquivos gerados pelo
AEMC, a partir da exportação para o Excel, assim, apenas com os dados fornecidos
no nome do arquivo o usuário consegue identificar os parâmetros da estrutura, sem
precisar abrir o arquivo e analisar seus dados.
O interesse deste trabalho, além de possibilitar a automação das análises através do
AEMC, é que o usuário possua facilidade para encontrar, dentre o banco de dados
gerado, planilhas de interesse. A Figura 3.20 abaixo demonstra o padrão de
nomenclatura utilizado nesse trabalho com objetivo de informar de maneira prática
todos os dados da estrutura analisada.
47
Figura 3.20: Padrão de nomenclatura do AutoSim
Onde:
C1, C2 e C3 representam as camadas 1,2 e 3 respectivamente;
MR significa Módulo de resiliência medida em MPa;
Espessura é a espessura da camada e é medida em (cm);
Carga medida em toneladas;
Pressão medida em MPa; e
Eixo representando o nome do eixo escolhido pelo usuário;
Para a nomenclatura acima, foi utilizada uma estrutura composta por três
camadas apenas, por isso, para a terceira camada não possuí valores de espessura,
pois subentendesse que se trata do subleito. A letra “E” presente na nomenclatura
indica início de uma nova camada, o mesmo foi adicionado para facilitar visualização.
Pode-se observar no exemplo abaixo a nomenclatura padrão de uma estrutura típica
de pavimento contendo três camadas.
Tabela 3.3: Exemplo de nomenclatura por meio do AutoSim
48
3.2 EXTRAÇÃO DE DADOS
Devido ao grande número de simulações que o AutoSim pode realizar de forma
automática e a demora para realizar a análise de todos os dados gerados pelo AEMC,
surgiu a necessidade de desenvolver um software capaz de extrair apenas os dados
de interesse das planilhas geradas. Com isso, foi utilizado programação através da
linguagem VBA (Visual Basic for Applications) em Excel versão do ano de 2010 para
realizar o desenvolvimento do software de extração de dados chamado
AutoSimDados.
Figura 3.21: Menu inicial do AutoSimDados versão 0.94
O mesmo possuí interface integrada ao Excel, ou seja, trata-se de uma planilha
com macros contidas que são capazes de identificar e importar dados a partir do range
que o usuário inserir em seu menu principal. Uma das grandes vantagens do
AutoSimDados é sua capacidade de realizar a extração dos dados de todos os
arquivos presentes em determinada pasta. Ou seja, o usuário logo após inserir os
dados do range de interesse, como nesse caso seriam os valores de tração (Ex, Ey)
da primeira camada e a compressão (Ez) da segunda camada, o programa irá pedir
ao usuário que o mesmo selecione uma pasta que contenha todas as planilhas
49
geradas pelo AEMC, para que elas sirvam de banco de dados e comece de fato a
extração dos valores de interesse.
Figura 3.22: Escolha de pasta para iniciar a extração de dados
Os valores gerados após a extração de dados pelo AutoSimDados são exibidos na
planilha da Figura 3.23.
Figura 3.23: Planilha gerada pelo AutoSimDados
50
4 ANÁLISE DE RESULTADOS
Neste capítulo será apresentado duas utilizações do AutoSim em diferentes
pesquisas bem como a importância da automação para a possível realização das
mesmas. Devido à grande quantidade de dados, a utilização do software desse
trabalho mostrou-se de grande importância, principalmente no que tange o tempo de
obtenção dos dados para as pesquisas. Ao final de cada Case foi realizado uma
análise comparativa entre o tempo para obter os dados de tensão e deformação de
forma otimizada, ou seja, utilizando o AutoSim e o AutoSimDados, ou de forma não
otimizada.
4.1 UTILIZAÇÕES DO AUTOSIM
Durante o desenvolvimento do AutoSim, o mesmo foi utilizado para realização
de alguns trabalhos científicos, dentre eles o realizado por Oliveira (2016) e a pesquisa
para a COPPE/UFRJ. O programa teve papel importante para confecção desses
trabalhos, pois a partir da automação das simulações por meio do AutoSim, foi
possível a análise de uma grande quantidade de dados, o qual as duas pesquisas
citadas necessitavam.
4.1.1 Case 1: Definição e análise dos fatores de equivalência de carga dos
eixos comerciais
Este foi o tema do trabalho de conclusão de curso, graduação em engenharia
civil da autora Marina Frederich de Oliveira, em 2016, pela Universidade Federal de
Santa Maria. O trabalho em questão analisou diversos eixos comerciais que trafegam
pelas rodovias brasileiras como o Eixo Simples de Rodas Simples (ESRS), Eixo
Simples de Rodas Duplas (ESRD), Eixo Tandem Duplo (ETD), Eixo Tandem Triplo
(ETT), Eixo Duplo Direcional (EDD) e Eixo Especial (EE) demonstrados na Figura 4.1:
51
Figura 4.1: Geometria dos eixos rodoviários
Fonte: Oliveira (2016)
O objetivo da pesquisa foi analisar o Fator de Equivalência de Carga (FEC) dos eixos
citados e elaborar equações através de análise estatística para os mecanismos de
ruptura de fadiga e de deformação permanente. As análises foram obtidas através do
AEMC e para a automação das simulações, ao total quarenta e seis mil seiscentos e
cinquenta e seis, foi utilizado o software AutoSim.
A matriz fatorial de dados, demonstrada na Tabela 4.1, remete a todas as
variações de eixo, carga, pressão, espessuras e módulos de resiliência utilizadas para
compor as estruturas simuladas.
Tabela 4.1: Matriz fatorial de dados
Fonte: Oliveira (2016)
Logo após o AutoSim receber todos os parâmetros necessários para a
simulação, o mesmo informa ao usuário a quantidade de simulações que serão
52
realizadas e o tempo necessário para término das mesmas, em relação ao tempo,
iremos comentar melhor no item 4.2. O cálculo da quantidade de iterações possíveis
decorre do Princípio fundamental da Contagem que afirma que se um evento é
composto por duas ou mais etapas sucessivas e independentes, o número de
combinações será determinado pelo produto entre as possibilidades de cada conjunto.
Tabela 4.2: Quantidade de diferentes possibilidades de estruturas
Eixos Cargas Pressões Camda Asfáltica BGS Subleito
MR h MR h MR
6 6 3 4 4 3 3 3
Total 46656
Como pode-se observar, os números da Tabela 4.2 representam as
possibilidades de modificações na estrutura decorrentes da Matriz fatorial de dados
elaborada por Oliveira (2016) da Tabela 4.1.
No entanto, para realizar as simulações, além dos dados relacionados a
estrutura, necessita-se das coordenadas de interesse. Para a escolha das mesmas
Oliveira (2016) analisou previamente, através de simulações, estruturas robustas,
intermediárias e delgadas com cargas muito baixas, intermediárias e muito altas,
variando a pressão de inflação dos pneus. Na Figura 4.2 está demonstrado os pontos
de interesse encontrados por Oliveira (2016) para realização das simulações.
53
Figura 4.2: Área de distribuição dos pontos de análise para cada eixo
Fonte: Oliveira (2016)
Para as coordenadas do eixo Z, o software desenvolvido nesse trabalho calculou
automaticamente levando em conta as espessuras da camada asfáltica e da BGS
para cada uma das estruturas visando analisar as profundidades de interesse que
segundo Oliveira (2016) seriam o fundo da camada asfáltica e o topo do subleito.
Com a finalização dos calculos dos valores de N (número de repetiçoes de carga por
eixo) , pôde ser determinado os valores de FEC para todas as estruturas. Após análise
estatística por parametrização utilizando o software StatSoft STATISTICA, o qual são
descritos por Bueno (2014) e Szlachta (2015), foram determinados equações com o
intuito de compreender melhor a influência de cada parâmetro em relação ao FEC de
cada um dos eixos. Segue abaixo uma das equações geradas por Oliveira (2016)
referente ao ESRS e uma imagem comparativa entre os valores gerados pelo software
e os valores obtidos.
54
(𝐸𝑆𝑅𝑆)𝐹= −0,7213+ (4.1)
𝑒0,8336−0,3895Cp−0,0093MRrevp−0,0434hrevp 0,0039MRbasep−0,00005hbasep+0,0291MRsubp+0,2169Pp
R²= 0,86
Figura 4.3: Valores obtidos x Valores gerados pelo software, para fadiga, para o ESRS
Fonte: Oliveira (2016)
Devido ao elevado número de simulações à serem automatizadas, foi-se
necessário encontrar métodos que acelerassem ainda mais a rotina de cálculo das
análises. Durante testes realizados no laborátorio de estudos do GEPPASV ( Grupo
de Pesquisas em Pavimentação e Segurança Viária), foi verificado que o AutoSim
poderia ser executado simultanemante em vários computadores, assim, dimuindo
ainda mais o tempo para finalização das análises. Para realização deste Case 1, foram
utilizados quatro computadores executando simultâneamente, o que aumentou
drasticamente a velocidade de execução das simulações.
Um dos fatores de grande relevância e que justificam a elaboração do software
deste trabalho é a sua redução drástica no tempo de realização de simulações.
Quando necessita-se realizar, por exemplo, uma pesquisa, em que é demandado um
grande número de simulações através do AEMC, realizá-lo de forma manual, ou seja,
55
sem a utilização do AutoSim, se torna uma tarefa penosa, principalmente no que tange
o tempo de execução.
Todo o tempo utilizado para obtenção e elaboração desses dados poderia ser
suprimido e o usuário partir apenas para a análise de resultados muito mais
rapidamente, podendo inclusive modificar os caminhos de seu trabalho, pois o mesmo
já teria resultados pertinentes em curto prazo. Por esse motivo o software AutoSim foi
desenvolvido, para que o processo de obtenção de dados, através das simulações
pela ferramenta AEMC do SisPav, seja feita de forma automática e em curto espaço
de tempo. A Tabela 4.3 demonstra o tempo necessário para realizar simulações com
e sem utilização do software AutoSim.
Tabela 4.3: Tempo necessário para realizar simulações em diferentes métodos
Método
Tempo por
simulação (s)*
Jornada diária de trabalho
(h/dia)**
AutoSim 4,3 24
Manual 60 6
* Tempo médio para 1 simulação (ver item 3.1.5)
** Tempo em que o software ou o usuário em média utiliza do seu dia para realizar as simulações
Para obtenção desses valores de tempo médio, foram realizadas mil
simulçaões através do AutosSim e calculado a média e por questões de viabilidade,
foram realizadas apenas cem análises de forma manual e calculado a média. Em
relação ao tempo médio de trabalho por dia, foi obtido pela média de trabalho do
tempo utilizado para confecção das cem confecções manuais, levando em conta
fatores como rendimento do usuário frente à realização das análises.
Para que fosse visível a diferença entre o tempo necessário para realização
das simulações de forma manual e pelo AutoSim foi elabordado um grafico, como
pode ser visto abaixo referente à Figura 4.4.
56
Figura 4.4: Gráfico Tempo versus método de simulação para o Case 1 de Oliveira (2016)
4.1.2 Case 2: Simulações para a COPPE/UFRJ
Para a COPPE/UFRJ foram realizadas ao total trinta e oito mil seiscentos e dez
simulações utilizando o AutoSim. No entanto, para essas análises algumas
implementações no programa foram necessárias, dentre elas a criação do sistema de
valores únicos, comentando no capítulo 3, e as simulações através do próprio SisPav.
Anteriormente, a automação iniciava diretamente pela abertura da ferramenta AEMC
e logo após eram inseridos os parâmetros necessários para análise como: dados da
estrutura, carga e pontos de análise. Contudo, para desenvolver tal pesquisa, foi
necessário utilizar os pontos de análise padrão do SisPav, ou seja, as cento e dez
coordenadas em torno das rodas do eixo em questão. Para isso, a simulação deveria
ser inicializada diretamente pelo SisPav e só após inserir os dados de estrutura, partir
para a análise de tensão e deformação através do AEMC.
A pesquisa tratava-se análises de estruturas a fim de identificar uma espessura
crítica (Hcrit), em que a vida de fadiga é mínima e para espessuras maiores e menores
que a Hcrit a vida de fadiga é maior. Ressaltando que a partir da deformação de tração
2,32
129,6
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00
AutoSim
Manual
Tempo em Dias
Case 1
Case 1
57
na fibra inferior do revestimento asfáltico é calculada essa vida de fadiga. A
investigação buscava entender a existência de uma região de espessuras delgadas
em que grande parte do bulbo de tensões das duas rodas está na camada de base,
portanto não havendo interação entre os bulbos. Para isso, foi elaborada uma matriz
fatorial de dados, presente na Tabela 4.4, utilizando para análise um ESRD com 8,2
ton de carga do eixo e pressão de inflação dos pneus de 0,55 Mpa, ou seja, a
confecção do Eixo Padrão rodoviário brasileiro.
Tabela 4.4: Matriz fatorial de dados para simulações da COPPE
Espessura(cm) MR (MPa) Camada Asfáltica
BGS Camada Asfáltica
BGS Subleito
5 10 500 150 50
5,5 15 1000 250 75
6 20 2000 300 100
7 25 3000 500 150
8 30 5000 750 200
9 35 7000 1000
10 9000 2000
12,5 12000 4000
15 15000 8000
17,5 10000
20 12000
15000
20000
Em relação aos pontos de análise, o próprio SisPav gera automaticamente 110
pontos para o eixo selecionado. Essas coordenadas são demonstradas na Tabela 4.5
abaixo:
Tabela 4.5: Coordenadas geradas automaticamente pelo SisPav
Ponto X(cm) Y(cm) Z(cm)
1 0 0 0
2 3,65 0 0
3 7,3 0 0
4 10,95 0 0
5 14,6 0 0
58
6 18,25 0 0
7 21,9 0 0
8 25,55 0 0
9 29,2 0 0
10 32,85 0 0
11 0 0 0,999
12 3,65 0 0,999
13 7,3 0 0,999
14 10,95 0 0,999
15 14,6 0 0,999
16 18,25 0 0,999
17 21,9 0 0,999
18 25,55 0 0,999
19 29,2 0 0,999
20 32,85 0 0,999
21 0 0 1,999
22 3,65 0 1,999
23 7,3 0 1,999
24 10,95 0 1,999
25 14,6 0 1,999
26 18,25 0 1,999
27 21,9 0 1,999
28 25,55 0 1,999
29 29,2 0 1,999
30 32,85 0 1,999
31 0 0 2,999
32 3,65 0 2,999
33 7,3 0 2,999
34 10,95 0 2,999
35 14,6 0 2,999
36 18,25 0 2,999
37 21,9 0 2,999
38 25,55 0 2,999
39 29,2 0 2,999
40 32,85 0 2,999
41 0 0 3,999
42 3,65 0 3,999
43 7,3 0 3,999
44 10,95 0 3,999
45 14,6 0 3,999
46 18,25 0 3,999
47 21,9 0 3,999
48 25,55 0 3,999
49 29,2 0 3,999
50 32,85 0 3,999
51 0 0 4,999
59
52 3,65 0 4,999
53 7,3 0 4,999
54 10,95 0 4,999
55 14,6 0 4,999
56 18,25 0 4,999
57 21,9 0 4,999
58 25,55 0 4,999
59 29,2 0 4,999
60 32,85 0 4,999
61 0 0 5,999
62 3,65 0 5,999
63 7,3 0 5,999
64 10,95 0 5,999
65 14,6 0 5,999
66 18,25 0 5,999
67 21,9 0 5,999
68 25,55 0 5,999
69 29,2 0 5,999
70 32,85 0 5,999
71 0 0 6,999
72 3,65 0 6,999
73 7,3 0 6,999
74 10,95 0 6,999
75 14,6 0 6,999
76 18,25 0 6,999
77 21,9 0 6,999
78 25,55 0 6,999
79 29,2 0 6,999
80 32,85 0 6,999
81 0 0 7,999
82 3,65 0 7,999
83 7,3 0 7,999
84 10,95 0 7,999
85 14,6 0 7,999
86 18,25 0 7,999
87 21,9 0 7,999
88 25,55 0 7,999
89 29,2 0 7,999
90 32,85 0 7,999
91 0 0 8,999
92 3,65 0 8,999
93 7,3 0 8,999
94 10,95 0 8,999
95 14,6 0 8,999
96 18,25 0 8,999
97 21,9 0 8,999
60
98 25,55 0 8,999
99 29,2 0 8,999
100 32,85 0 8,999
101 0 0 9,999
102 3,65 0 9,999
103 7,3 0 9,999
104 10,95 0 9,999
105 14,6 0 9,999
106 18,25 0 9,999
107 21,9 0 9,999
108 25,55 0 9,999
109 29,2 0 9,999
110 32,85 0 9,999
Após simulação de todas as possíveis estruturas foi enviado pra COPPE/UFRJ todas
as planilhas geradas pelo AEMC e nomeadas pelo AutoSim para análise.
Com o objetivo de demonstrar o tempo de execução das análises para a
COPPE/UFRJ através do AutoSim e caso fossem realizados de forma manual foi
elaborado o Figura 4.5 abaixo:
Figura 4.5: Gráfico Tempo versus método de simulação para o Case 2 da COPPE/UFRJ
1,92
107,25
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00
AutoSim
Manual
Tempo em Dias
Case 2
Case 2
61
5 CONCLUSÃO
Com base nos resultados obtidos neste trabalho, foi possível comprovar a eficácia
do software AutoSim e da macro AutoSimDados, em relação à automação e
otimização de processos de cálculo de dimensionamento de pavimentos através do
AEMC, ferramenta do SisPav. Com a diminuição do tempo para elaboração de
simulações, em torno de sessenta vezes menor, e a automação na extração dos
dados foi possível a elaboração de trabalhos que anteriormente ao desenvolvimento
desses softwares não seria possível.
A partir do trabalho desenvolvido em conjunto com Oliveira (2016) para seu
trabalho de conclusão de curso, foi possível comprovar a eficácia do AutoSim
principalmente frente a um grande número de simulações, ao total 46.656.
Concomitantemente, foi possível sua execução em mais de um computador
simultaneamente, elevando desse modo a otimização das simulações.
O trabalho em conjunto com a COPPE/UFRJ possibilitou além da comprovação
da eficácia do AutoSim através da realização de 38.610 análises, a elaboração de um
sistema de automação através de valores únicos e que possa ser realizado
diretamente pelo SisPav, assim gerando as coordenadas de forma automática.
Para que seja possível uma maior velocidade no que tange a automação das
análises a partir do AutoSim, mais trabalhos devem ser desenvolvidos e
principalmente que tenham acesso irrestrito ao código fonte da ferramenta AEMC. A
partir desse acesso, as simulações automatizadas possuiriam um tempo praticamente
instantâneo, pois a rotina de cálculo e inserção de dados seria realizado de forma
totalmente interna ao AEMC, diminuindo assim drasticamente o tempo de execução.
62
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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