MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Escola de Minas da … · 2020. 2. 20. · custos de operação que incluem os de manutenção de vias e os de operação dos caminhões fora-de-estrada

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO

Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto

Departamento de Engenharia de Minas

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral – PPGEM

Pedro Guilherme Cipriano Silva

ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA RUGOSIDADE DE ESTRADAS DE MINA NOS

PARÂMETROS OPERACIONAIS DE TRANSPORTE

Ouro Preto

2019

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO

Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto

Departamento de Engenharia de Minas

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral – PPGEM

Pedro Guilherme Cipriano Silva

ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA RUGOSIDADE DE ESTRADAS DE MINA NOS

PARÂMETROS OPERACIONAIS DE TRANSPORTE

Dissertação de mestrado apresentada ao

Programa de Pós-Graduação em Engenharia

Mineral do Departamento de Engenharia de

Minas da Escola de Minas da Universidade

Federal de Ouro Preto, como parte integrante

dos requisitos para obtenção do título de

Mestre em Ciências em Engenharia Mineral.

Área de concentração:

Lavra de Minas

Orientador: HERNANI MOTA DE LIMA

Coorientador: VIDAL FÉLIX NAVARRO TORRES

Ouro Preto

2019

Catalogação: www.sisbin.ufop.br

IV

DEDICATÓRIA

V

À minha avó materna (in memoriam), pelas bençãos, conselhos e eterno amor.

À minha mãe pelo carinho, presença e sabedoria.

Às minhas irmãs, pelo apoio e carinho.

VI

AGRADECIMENTOS

À Universidade Federal de Ouro Preto e ao Instituto Tecnológico Vale pela parceria

firmada entre si na qual surgiu o projeto e pela oportunidade que me foi dada em participar

ativamente no desenvolvimento do trabalho de pesquisa através da bolsa de mestrado.

Ao Prof. Dr. Hernani Mota de Lima pela orientação, por ter me aceitado como aluno

orientando, pelas críticas, pelo apoio e incentivo durante todo período de execução da

pesquisa. Agradeço pelas reuniões realizadas, discussões, otimismo e tranquilidade, além de

todo conhecimento transmitido o qual contribuiu para o meu crescimento profissional e

pessoal.

Ao Prof. Dr. Vidal Félix Navarro Torres pela coorientação, pelo acolhimento, pela

condução e direcionamento do trabalho, sempre prezando pelo diálogo e pela busca do

conhecimento através dos estudos. Agradeço por acreditar em mim e por me fornecer todas as

ferramentas possíveis para a execução da pesquisa.

Ao grande parceiro Leandro Geraldo Canaan Silveira pelo auxílio, amizade, trabalho

em equipe e sabedoria. Agradeço por me acompanhar em cada passo da pesquisa, sempre

contribuindo com avaliações e críticas. Com você aprendi a contornar os obstáculos e a

enxergar os problemas como grandes desafios os quais podemos superar através do esforço,

dedicação e seriedade.

Aos professores do PPGEM que contribuíram para a minha formação, em especial a

equipe docente de lavra de minas. Agradeço às aulas e projetos realizados, as dúvidas

sanadas, a disponibilidade em sempre nos atender e todo conhecimento transmitido.

A toda equipe de funcionários do Instituto Tecnológico Vale, em especial a equipe de

pesquisadores da área de lavra de minas que me acolheu e me fez sentir à vontade para a

realização da pesquisa. Agradeço a troca de conhecimentos e experiências, ao

compartilhamento de informações, incentivo e torcida.

Às equipes de infraestrutura das minas onde foram realizadas a pesquisa, em especial

Carlos Roberto Campos Júnior, André Luiz Puygcerver do Carmo e Israel Alves Madeira.

Agradeço por abrirem as portas para a coleta de dados e acesso às informações tão pertinentes

para o trabalho de pesquisa.

Aos meus colegas de mestrado que me acompanharam diariamente nas aulas,

trabalhos em grupo, projetos e artigos e a todos que contribuíram direta ou indiretamente para

a realização deste trabalho.

VII

EPÍGRAFE

Não importa quão longa seja a nossa estrada. Se por ventura

estivermos indo por um caminho tortuoso, voltemos. Se precisarmos

parar para refletir, paremos. O importante não é a distância ou o

tempo que levamos e sim a certeza do que queremos buscar.”

Rita Padoin

VIII

RESUMO

Em lavra de mina a céu aberto o transporte de minério e estéril representa grande parte dos

custos de operação que incluem os de manutenção de vias e os de operação dos caminhões

fora-de-estrada. A magnitude destes custos está atrelada, dentre outros fatores, às condições

funcionais das estradas in pit, uma vez que a rugosidade existente em suas superfícies

contribui no aumento da depreciação do veículo de transporte, redução de velocidade,

aumento do tempo de viagem e, consequentemente, diminuição da produtividade. Nesse

estudo, para fins de caracterização in situ utilizou-se a técnica de perfilagem a laser para

obtenção das irregularidades longitudinais das superfícies de estradas em duas minas de

minério de ferro de grande porte, traduzidas pelo Índice de Rugosidade Internacional (IRI).

Dados das irregularidades obtidas por perfilagem a laser foram utilizados para avaliar a

influência da rugosidade das estradas de mina nos parâmetros operacionais de transporte

como resistência ao rolamento, velocidade média, tempo de viagem, produtividade e custo

unitário de transporte dos caminhões fora-de-estrada. Os resultados obtidos permitiram

concluir que o aumento da rugosidade da superfície das estradas de mina em uma amplitude

de 10 centímetros pode provocar o aumento do coeficiente de resistência ao rolamento em

5%, redução da velocidade média em 25%, aumento do tempo de viagem em 26%, redução da

produtividade em 19% e aumento do custo unitário de transporte em 21%.

Palavras-chave: Produtividade. Rugosidade. Resistência ao rolamento. Estrada de mina. IRI.

IX

ABSTRACT

In open pit mining, ore and waste haulage represents a large part of the operating costs that

include road maintenance and off-road truck handling. The magnitude of these costs is linked,

among other factors, to the functional conditions of in pit roads, since the roughness of their

surfaces contributes to the increase of the depreciation of the haulage vehicle, reduction of

speed, increase of travel time and, consequently, decreased productivity. For in situ

characterization purposes, the laser profiling technique will be used to obtain the longitudinal

irregularities of the road surfaces in two large-scale iron ore mines. Data from the

irregularities obtained by laser profiling will be used to evaluate the influence of the mine

roads roughness on the haulage operational parameters such as off-road trucks rolling

resistance, speed, travel time, productivity and costs. The results showed that the increase of

the mine roads surface roughness by 10 cm can increase the rolling resistance coefficient by

5%, reduce the average speed by 25%, increase the travel time in 26%, reduced productivity

by 19% and increased haulage unit cost by 21%.

Keywords: Productivity. Roughness. Rolling resistance. Haul road mine. IRI.

X

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS

% Por cento

∆ Variação

∑ Somatório

∫ Integral

® Marca registrada

° Grau

a0 Coeficientes do modelo HDM-4




ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

ANTT Agência Nacional de Transportes Terrestres

ARRB Australian Roads Research Board

ARS Average Rectified Slope

ASTM American Society for Testing and Materials

b11 Parâmetro de resistência ao rolamento



C Capacidade de carga da caçamba

CAT Caterpillar

CBR California Bearing Ratio

cm Centímetro

Cop Custo operacional de transporte

cos Cosseno

CR1 Fator de resistência ao rolamento do pneu

CR2 Fator de superfície de resistência ao rolamento

CRR Coeficiente de resistência ao rolamento

Cunit Custo unitário operacional de transporte

DEF Deflexão

Di Distância do trajeto de ida

DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem

XI

DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes

Dv Distância do trajeto de volta

Dw Diâmetro do pneu

dx Intervalo entre os pontos do perfil

dε Elemento infinitesimal de deformação

E Fator de eficiência da operação

ELSYM5 Elastic Layered System 5

Et Eficiência da transmissão

EUA Estados Unidos

exp Exponencial

f Função de regressão

Fa Força de aderência

Far Força de resistência do ar

FCLIM Fator climático

Ftotal Força motriz

fθ Coeficiente de resistência devido à inclinação da via

g Aceleração da gravidade

GR Relação de transmissão

h Hora

HDM-4 The Highway Design and Maintenance Standards Model 4

hp Horse power

HPMS Highway Performance Monitoring System

IRI International Roughness Index

ISO International Organization for Standardization

ITV Instituto Tecnológico Vale

K’ Coeficiente de forma

Kcr2 Fator de calibração

kg Quilograma

kg/hp Quilograma por cavalo-vapor

kg/t Quilograma por tonelada

kgf Quilograma-força

km Quilômetro

km/h Quilômetro por hora

XII

kN Quilonewton

kNm Quilonewton-metro

lb Libra

LD Lado direito

LE Lado esquerdo

Li Posição do laser

M Massa

m Metro

m/km Metro por quilômetro

m/s Metro por segundo

m/s² Metro por segundo ao quadrado

Máx Máximo

Min Mínimo

min Minuto

mm Milímetro

mm/m Milímetro por metro

mph Milhas por hora

N Newton

n Número de iterações

N/kg Newton por quilograma

NA Não se aplica

NBR National Board of Review

Nw Quantidade de pneus

P Produtividade

PCTDS Porcentagem de viagens em condição climática de neve

PCTDW Porcentagem de viagens em condição climática de chuva

Pj Coeficiente do cálculo do IRI

Pot Potência do caminhão

PPGEM Programa de Pós-graduação em Engenharia Mineral

QI Quociente de Irregularidade

R Raio

r Relação peso/potência

R² Coeficiente de determinação

XIII

Rar Resistência do ar

RDS Pontuação de defeito de rugosidade

Ri Resistência de inércia

Rom Resistência oposta ao movimento

RR Resistência ao rolamento

RRMIN Resistência ao rolamento mínima

RS Rectified Slope

Rθ Resistência devido à inclinação da via

S Área da seção normal

s Segundo

sen Seno

Sij Coeficiente do cálculo do IRI

T Esforço de tração

t Tempo

t Tonelada

t/h Tonelada por hora

Tc Tempo de ciclo

Tdsp Profundidade da textura

ton Tonelada métrica

Tq Torque do motor

Tv Tempo variável ou tempo de viagem total

UFMG Universidade Federal de Minas Gerais

UFOP Universidade Federal de Ouro Preto

US$ Dólar americano

US$/h Dólar por hora

US$/t Dólar por tonelada

v Velocidade

vi Velocidade média carregado

vm Velocidade média

vmax Velocidade máxima

vv Velocidade média vazio

W Carga imposta ao pneu

Y1 Elevação do primeiro ponto do perfil

XIV

Ya Elevação do ponto A do perfil

Zj Ponto do perfil

θ Ângulo teta

σ Tensão

XV

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 2.1 – Representação esquemática da força normal e de resistência (Traduzido de

Hustrulid, 2013). .................................................................................................................. 35

Figura 2.2 – Representação hierárquica dos parâmetros que influenciam a produtividade e

custos de transporte. ............................................................................................................. 37

Figura 2.3 – Estrutura do pavimento (Adaptado de Bernucci et al.; 2007 apud Reis, 2014). . 39

Figura 2.4 – Minimização dos custos de manutenção de via e operação do veículo de

transporte (Traduzido de Thompson, 1996). ......................................................................... 42

Figura 2.5 – Aplicação funcional da canga laterítica no revestimento de pistas (Vieira, 2013).

............................................................................................................................................ 47

Figura 2.6 – Aplicação funcional da máfica decomposta no revestimento de pistas (Vieira,

2013). .................................................................................................................................. 48

Figura 2.7 – Interação pneu-solo durante o tráfego de veículos de transporte (Adaptado de

Holman, 2006). .................................................................................................................... 50

Figura 2.8 – Resistência ao rolamento enfrentado pelos caminhões fora-de-estrada, em uma

mina de ferro (Vieira, 2013). ................................................................................................ 52

Figura 2.9 – Curvas de desempenho do caminhão fora-de-estrada 772G, em declive (Manual

técnico da Caterpillar, 2012). ............................................................................................... 53

Figura 2.10 – Curvas de desempenho do caminhão fora-de-estrada 772G, em aclive (Manual

técnico da Caterpillar, 2012). ............................................................................................... 54

Figura 2.11 – Distribuição da força de gravidade em um caminhão fora-de-estrada durante a

subida (Adaptado de López Jimeno et al., 2015). ................................................................. 59

Figura 2.12 – Valores de IRI para diversos tipos de pistas e estado de manutenção (Bernucci

et al., 2006 apud Echeverria, 2011). ..................................................................................... 64

Figura 2.13 – Princípio de medição do IRI (Adaptado de Freitas et al., 2009). ..................... 66

Figura 2.14 – Perfilógrafo longitudinal a laser (Strata Engenharia, 2018). ............................ 68

Figura 3.1 – Proposta do trabalho de pesquisa. ..................................................................... 71

Figura 3.2 – Estrada A (ITV, 2018). ..................................................................................... 73

Figura 3.3 – Ponto de origem: praça de lavra de minério (ITV, 2018). .................................. 73

Figura 3.4 – Ponto de destino: praça de alimentação do britador (ITV, 2018). ...................... 74

XVI

Figura 3.5 – Estrada B (ITV, 2018). ..................................................................................... 74


Figura 3.7 – Ponto de destino: praça de descarga de estéril (ITV, 2018). .............................. 75

Figura 3.8 – Estrada C (ITV, 2018). ..................................................................................... 77


Figura 3.10 – Ponto de destino: praça de alimentação do britador (ITV, 2018). .................... 78

Figura 3.11 – Estrada D (ITV, 2018). ................................................................................... 78

Figura 3.12 – Ponto de origem: praça de lavra de minério (ITV, 2018). ................................ 79

Figura 3.13 – Ponto de destino: praça de alimentação do britador (ITV, 2018). .................... 79

Figura 3.14 – Estrada E (ITV, 2018). ................................................................................... 80

Figura 3.15 – Ponto de origem: praça de lavra de minério (ITV, 2018). ................................ 80

Figura 3.16 – Ponto de destino: praça de descarga de estéril (ITV, 2018). ............................ 81

Figura 3.17 – Caminhão fora-de-estrada modelo Caterpillar 793D considerado para o estudo

dos parâmetros operacionais de transporte (ITV, 2018). ....................................................... 82

Figura 3.18 – Etapas e sequenciamento da pesquisa. ............................................................ 84

Figura 3.19 – Plataforma existente e dimensões do caminhão CAT793D (ITV, 2018). ......... 85

Figura 3.20 – Posicionamento das unidades laser em relação ao centro de aplicação de carga

das rodas gêmeas traseiras por trilha de roda e faixa de tráfego (ITV, 2018). ........................ 86

Figura 3.21 – Plataforma existente, dimensões do caminhão CAT793D e posicionamento do

equipamento de levantamento da Irregularidade Longitudinal (ITV, 2018)........................... 87

Figura 3.22 – Escala do IRI para diferentes tipos de pavimento (ITV, 2018). ....................... 88

Figura 3.23 – Escala do IRI para pavimentos primários (ITV, 2018). ................................... 89

Figura 3.24 – Amostra do relatório da rugosidade medida na estrada A da mina 1 (ITV, 2018).

............................................................................................................................................ 91

Figura 3.25 – Exemplo esquemático de cálculo do IRI médio em uma seção transversal da via.

............................................................................................................................................ 91

Figura 3.26 – Modelo de estimação do fator de calibração obtido via regressão estatística. .. 93

XVII

Figura 3.27 – Estrada A subdivida em trechos em função da variabilidade da inclinação da

via. ....................................................................................................................................... 94

Figura 3.28 – Representação esquemática da caracterização dos trechos das estradas. .......... 95

Figura 3.29 – Variabilidade da velocidade média dos caminhões fora-de-estrada 793D das

minas 1 e 2. .......................................................................................................................... 97

Figura 3.30 – Rugosidade como variável de controle dos parâmetros operacionais de

transporte. .......................................................................................................................... 100

Figura 4.1 – Intervalo de confiança de 95% para a média da rugosidade em cada estrada. .. 101

Figura 4.2 – Rugosidade média da superfície ao longo da estrada A (mina 1). .................... 102

Figura 4.3 – Rugosidade média da superfície ao longo da estrada B (mina 1). .................... 102

Figura 4.4 – Rugosidade média da superfície da estrada C (mina 2). .................................. 103

Figura 4.5 – Rugosidade média da superfície da estrada D (mina 2). .................................. 103

Figura 4.6 – Rugosidade média da superfície da estrada E (mina 2). ................................... 104

Figura 4.7 – Coeficiente de resistência ao rolamento médio a que os caminhões são

submetidos na ida e retorno. ............................................................................................... 107

Figura 4.8 – Efeito do aumento da carga imposta ao pneu na variabilidade do coeficiente de

resistência ao rolamento (Adaptado de LaClair, 2006). ....................................................... 108

Figura 4.9 – Influência do aumento da carga imposta aos pneus do caminhão 793D na

resistência ao rolamento e seu coeficiente. ......................................................................... 109

Figura 4.10 – Estrada A subdivida em trechos em função da variabilidade da inclinação da

via. ..................................................................................................................................... 110

Figura 4.11 – Proporção dos trechos horizontais e inclinados para cada estrada. ................. 114

Figura 4.12 – Influência da rugosidade no coeficiente de resistência ao rolamento. ............ 117

Figura 4.13 – Influência da rugosidade da estrada da mina A na velocidade média e tempo de

viagem total do caminhão fora-de-estrada 793D. ................................................................ 119

Figura 4.14 – Influência da rugosidade da estrada da mina A no tempo de viagem total e

produtividade do caminhão fora-de-estrada 793D............................................................... 120

Figura 4.15 – Comportamento da produtividade do caminhão em função da variação da

rugosidade da estrada A. .................................................................................................... 120

Figura 4.16 – Influência da rugosidade da estrada da mina B na velocidade média e tempo de


XVIII

Figura 4.17 – Influência da rugosidade da estrada da mina B no tempo de viagem total e

produtividade do caminhão fora-de-estrada 793D............................................................... 122


rugosidade da estrada B...................................................................................................... 122

Figura 4.19 – Influência da rugosidade da estrada da mina C na velocidade média e tempo de


Figura 4.20 – Influência da rugosidade da estrada da mina C na produtividade do caminhão

fora-de-estrada 793D e custo unitário de transporte. ........................................................... 124


rugosidade da estrada C...................................................................................................... 125

Figura 4.22 – Comportamento do custo unitário de transporte em função da variação da

rugosidade da estrada C...................................................................................................... 125

Figura 4.23 – Influência da rugosidade da estrada da mina D na velocidade média e tempo de


Figura 4.24 – Influência da rugosidade da estrada da mina D na produtividade do caminhão



rugosidade da estrada D. .................................................................................................... 127


rugosidade da estrada D. .................................................................................................... 128

Figura 4.27 – Influência da rugosidade da estrada da mina E na velocidade média e tempo de


Figura 4.28 – Influência da rugosidade da estrada da mina E na produtividade do caminhão



rugosidade da estrada E. ..................................................................................................... 130


rugosidade da estrada E. ..................................................................................................... 131

XIX

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Coeficiente de aderência entre pneus de borracha e vários tipos de pista. ......... 46

Tabela 2.2 – Coeficiente de resistência ao rolamento para alguns pneus e pavimentos. ......... 49

Tabela 2.3 – Grau e extensão dos defeitos observados em estradas de mina.......................... 50

Tabela 2.4 – Valores de resistência ao rolamento de acordo com a flexão e penetração do pneu

no solo. ................................................................................................................................ 51

Tabela 2.5 – Fator de resistência ao rolamento do pneu ........................................................ 58

Tabela 2.6 – Fator de calibração para classes de veículos. .................................................... 58

Tabela 2.7 – Coeficientes do fator de superfície de resistência ao rolamento. ....................... 58

Tabela 2.8 – Possíveis situações para locomoção do veículo. ............................................... 62

Tabela 3.1 – Características das estradas da mina 1 selecionadas para o estudo de caso. ....... 72

Tabela 3.2 – Características das estradas da mina 2 selecionadas para o estudo de caso. ....... 76

Tabela 3.3 – Base de dados consolidada referente à atividade de transporte nas minas 1 e 2. 83

Tabela 3.4 – Valores de IRI em condições secas e úmidas. ................................................... 90

Tabela 3.5 – Critério adotado para classificação da condição funcional da via. ..................... 90

Tabela 3.6 – Base de dados utilizada no modelo HDM-4 para estimação da resistência ao

rolamento. ............................................................................................................................ 92

Tabela 3.7 – Base dados para estimação da velocidade máxima. .......................................... 96

Tabela 3.8 – Fator de redução da velocidade máxima à velocidade média. ........................... 98

Tabela 4.1 – Estatística descritiva dos resultados de rugosidade das estradas das minas 1 e 2.

.......................................................................................................................................... 101

Tabela 4.2 – Resultados qualitativos de rugosidade. ........................................................... 104

Tabela 4.3 – Coeficiente de resistência ao rolamento das estradas das minas 1 e 2, em %. .. 105

Tabela 4.4 – Coeficiente de resistência à inclinação da via para cada trecho da estrada A. .. 110

Tabela 4.5 – Coeficiente de resistência à inclinação da via para cada trecho da estrada B. .. 111

Tabela 4.6 – Coeficiente de resistência à inclinação da via para cada trecho da estrada C. .. 112

Tabela 4.7 – Coeficiente de resistência à inclinação da via para cada trecho da estrada D. .. 113

XX

Tabela 4.8 – Coeficiente de resistência à inclinação da via para cada trecho da estrada E. .. 113

Tabela 4.9 – Velocidades e tempos de viagem estimados para o caminhão fora-de-estrada. 115

Tabela 4.10 – Produtividade e custo unitário de transporte. ................................................ 115

Tabela 4.11 – Influência da rugosidade das estradas das minas 1 e 2 nos parâmetros

operacionais de transporte. ................................................................................................. 116

SUMÁRIO

RESUMO ........................................................................................................................... VIII

ABSTRACT ........................................................................................................................... IX

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS ..................................................................... X

LISTA DE ILUSTRAÇÕES ......................................................................................................XV

LISTA DE TABELAS ............................................................................................................ XIX

1 APRESENTAÇÃO ....................................................................................................... 23

1.1 INTRODUÇÃO............................................................................................................. 23

1.2 JUSTIFICATIVA .......................................................................................................... 26

1.3 OBJETIVOS ................................................................................................................ 29

1.3.1 Objetivo geral ........................................................................................................... 29

1.3.2 Objetivos específicos ................................................................................................ 29

1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO .................................................................................... 30

2 REVISÃO DE LITERATURA ........................................................................................ 32

2.1 ASPECTOS ECONÔMICOS DE TRANSPORTE EM MINA A CÉU ABERTO .............................. 32

2.1.1 Produtividade dos caminhões .................................................................................... 32

2.1.2 Custos operacionais .................................................................................................. 35

2.2 ASPECTOS GERAIS DE ESTRADAS EM MINA A CÉU ABERTO ........................................... 37

2.2.1 Concepção básica sobre estradas de mina e suas particularidades .............................. 38

2.2.2 Revestimentos primários ........................................................................................... 40

2.3 CONSIDERAÇÕES SOBRE A SUPERFÍCIE DO REVESTIMENTO DAS ESTRADAS DE MINA...... 41

2.3.1 Rugosidade ............................................................................................................... 42

2.3.2 Tração e aderência .................................................................................................... 44

2.4 RESISTÊNCIA AO ROLAMENTO .................................................................................... 46

2.4.1 Modelo matemático de resistência ao rolamento: HDM-4 ......................................... 55

2.5 RESISTÊNCIA DEVIDO À INCLINAÇÃO DA VIA............................................................... 58

2.6 RESISTÊNCIA DE INÉRCIA E RESISTÊNCIA DO AR .......................................................... 60

2.7 MECÂNICA DO MOVIMENTO DE MÁQUINAS ................................................................. 61

2.8 CARACTERIZAÇÃO DA RUGOSIDADE SUPERFICIAL DO REVESTIMENTO DE ESTRADAS DE

MINA ......................................................................................................................... 62

2.8.1 Índice de Rugosidade Internacional - IRI .................................................................. 63

2.8.2 Metodologia de cálculo do IRI .................................................................................. 65

2.8.3 Equipamento e tecnologia para medição do IRI ........................................................ 67

3 MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................................... 70

3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS .......................................................................................... 70

3.2 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS .................................................................. 71

3.3 UNIDADES AMOSTRAIS ESCOLHIDAS ........................................................................... 72

3.4 BASE DE DADOS DE TRANSPORTE ............................................................................... 81

3.5 ETAPAS E MÉTODOS EMPREGADOS ............................................................................. 84

3.5.1 Perfilagem a laser e caracterização da rugosidade em estradas de mina .................... 85

3.5.2 Estimação da resistência ao rolamento ...................................................................... 92

3.5.3 Estimação da resistência devido à inclinação da via .................................................. 94

3.5.4 Estimação da velocidade máxima e tempo de viagem ............................................... 95

3.5.5 Estimação da produtividade e custo unitário de transporte ........................................ 99

3.5.6 Avaliação da influência da rugosidade nos parâmetros operacionais de transporte .. 100

4 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS .................................................... 101

4.1 RUGOSIDADE DA SUPERFÍCIE DAS ESTRADAS DE MINA............................................... 101

4.2 RESISTÊNCIA AO ROLAMENTO .................................................................................. 105

4.3 RESISTÊNCIA DEVIDO À INCLINAÇÃO DA VIA............................................................. 109

4.4 VELOCIDADE E TEMPO DE VIAGEM ........................................................................... 114

4.5 PRODUTIVIDADE E CUSTO UNITÁRIO DE TRANSPORTE ................................................ 115

4.6 INFLUÊNCIA DA RUGOSIDADE NOS PARÂMETROS OPERACIONAIS DE TRANSPORTE ...... 116

4.6.1 Estrada A ................................................................................................................ 118

4.6.2 Estrada B ................................................................................................................ 121

4.6.3 Estrada C ................................................................................................................ 123

4.6.4 Estrada D ................................................................................................................ 126

4.6.5 Estrada E ................................................................................................................ 128

5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS.......................................... 132

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 136

APÊNDICE A ........................................................................................................... 142

APÊNDICE B ........................................................................................................... 144

ANEXO A ................................................................................................................ 146

23

1 APRESENTAÇÃO

Este capítulo apresenta a natureza do trabalho de pesquisa via descrição dos princípios

básicos que norteiam a mineração quanto à rugosidade das vias e sua influência no transporte

de material por caminhões fora-de-estrada em uma mina a céu aberto. Os elementos que

constituem tal atividade e a influência direta das características estruturais e funcionais das

estradas na produtividade e custos associados aos equipamentos são também apresentados,

assim como a justificativa, os objetivos e a estrutura de organização da dissertação.

1.1 INTRODUÇÃO

A crescente busca pela maximização da produtividade e minimização dos custos em

qualquer empreendimento propicia e estimula o desenvolvimento e aperfeiçoamento de

ferramentas e métodos que auxiliem a tomada de decisão. Na mineração, isso envolve um

amplo conhecimento das rotinas operacionais e dos parâmetros que influenciam cada setor da

cadeia produtiva, desde a prospecção e pesquisa do bem mineral de interesse até o embarque

do produto final para os clientes.

Neste contexto, Hustrulid (2013) ressalta a atenção que se deve direcionar para a

atividade de transporte em lavra de mina a céu aberto, uma vez que os caminhões têm se

tornado o meio primário para a movimentação de minério e estéril e os custos associados à

essa operação podem representar, comumente, a maior parcela dos custos totais de lavra

quando comparados às operações unitárias de perfuração, desmonte de rocha e carregamento.

Thompson e Visser (1999) destacam a evolução do porte de caminhões fora-de-

estrada, devido à expansão em tamanho e número das minas a céu aberto. Atualmente, esses

caminhões alcançam capacidade de transporte de carga superior a 370 toneladas.

Por outro lado, o aumento do fluxo e carga de transporte na maior parte das minas a

céu aberto faz com que as estradas de mina apresentem defeitos em intervalos de tempos cada

vez menores, que impactam no aumento dos custos operacionais e na diminuição da

produtividade. O consumo de combustível, a manutenção e reposição de peças, a utilização de

pneus e a mão de obra compõem estes custos (LÓPEZ JIMENO et al., 2015). A

produtividade, por outro lado, representada pela quantidade de material transportada por

unidade de tempo tem influência de diversos fatores, dos quais, o tempo de viagem do

caminhão é um dos mais importantes.

24

O tempo de viagem de um caminhão inclui o tempo de ida carregado com minério ou

estéril para descarregamento no ponto de destino previamente estabelecido somado ao tempo

de retorno vazio a uma frente de lavra disponível. O tempo de viagem depende da

manobrabilidade do caminhão, condições da estrada, dificuldades operacionais e do

desempenho do operador (KENNEDY, 2009). Uma condição precária de estradas de mina, de

modo geral, implica num aumento do tempo de viagem pois o operador tende a reduzir a

velocidade do caminhão devido aos defeitos e obstáculos encontrados na pista.

Desta forma, o projeto, a gestão e manutenção das estradas formam os principais

componentes a serem considerados e avaliados quando se busca melhorias nesta atividade,

conforme Thompson (2010), pois o local de movimentação do caminhão irá interferir

diretamente na economicidade, na produtividade e na segurança da operação.

Este local, composto pelos acessos ou vias de tráfego, são dimensionados conforme se

planeja a lavra do bem mineral e segue a geometria da cava final projetada, sendo, portanto,

limitado por este parâmetro. Thompson e Visser (2003) e Oliveira Filho et al. (2010c apud

REIS, 2014) ainda afirmam que o dimensionamento de uma estrada de mina, de modo geral, é

empírico e baseado em experiências locais das equipes técnicas responsáveis. Uma vez que se

distanciam das características de pavimentos rodoviários, as estradas de mina devem ser

tratadas de modo diferenciado, levando em conta os parâmetros que pertencem àquela

realidade.

Vários estudos foram realizados com o objetivo de se obter uma metodologia de

dimensionamento de estradas de mina para um transporte econômico, produtivo e seguro,

com destaque para Kaufman e Ault (1977), Thompson (1996), Tannant e Regensburg (2001),

Ferreira (2007), Sousa et al. (2012), Reis (2014), Soofastaei et al. (2015) e Baek e Choi

(2017).

Kaufman e Ault (1977) analisaram bancos de dados com diversos parâmetros de

modelos diferentes de caminhões fora-de-estrada e estabeleceram critérios de projetos de

estradas de mina a partir da identificação e análise das limitações de performance destes

veículos. Os autores, então, elaboraram um manual completo de práticas recomendadas para o

dimensionamento, construção e manutenção das estradas de mina de modo a garantir a

segurança e eficiência de transporte.

Os diversos tipos de materiais que compõe a camada de revestimento do pavimento de

estradas de mina foram estudados por Thompson (1996) no qual recomenda valores efetivos

de módulo de elasticidade para estes materiais de modo a contribuir para sua seleção no

25

dimensionamento do pavimento. O autor também desenvolveu uma avaliação qualitativa da

rugosidade da superfície das estradas de mina, através de um sistema de pontuação em que se

associa o grau de severidade e extensão das irregularidades da via.

Tannant e Regensburg (2001) propõem uma metodologia para dimensionamento de

estradas de mina que contempla desde a geometria e estrutura de construção até os materiais a

serem utilizados e a economia gerada. Os autores ainda discorreram sobre a influência da

superfície das estradas na trafegabilidade dos caminhões, e destacam a rugosidade da via e a

resistência ao rolamento como fatores críticos que impactam o desempenho imediato e de

longo prazo dos custos operacionais:

A maioria das vias de transporte de mina não são pavimentadas. [...]. A condição da

superfície da via tem impacto significativo no desempenho imediato e de longo

prazo dos custos operacionais de transporte. A rugosidade e a resistência ao

rolamento são dois fatores críticos. Ondulações, irregularidades e buracos geram forças de impacto que são transferidas através dos pneus para a suspensão, chassi e

motor do caminhão. Tais forças são aproximadamente proporcionais ao peso bruto

do veículo e crescem exponencialmente com a velocidade do caminhão. Portanto,

com os caminhões de hoje muito maiores e operando em altas velocidades, a

condição da superfície da estrada é extremamente importante. As forças de impacto

reduzem a vida útil do pneu, aumentam os custos com pneus, aumentam a fadiga do

metal na suspensão e no chassi dos caminhões, aumentam os custos de manutenção

e encurtam a vida útil do caminhão. (TANNANT; REGENSBURG, 2001, p. 43,

traduzido pelo autor).

A partir da resposta mecânica de um pavimento, um ábaco para o dimensionamento de

estradas mineiras para o tráfego de caminhões fora-de-estrada foi proposto por Ferreira (2007)

baseado em resultados obtidos em um pavimento experimental, no qual foram controladas

variáveis como deflexão, rigidez e módulo de elasticidade das camadas desta estrutura.

Sousa et al. (2012) dimensionaram uma estrada de mina com materiais típicos

ocorrentes em mineração de minério de ferro através de métodos empíricos que usam o Índice

de Suporte Califórnia ou California Bearing Ratio (CBR) e um método adaptado do

Departamento Nacional de Estradas de Rodagem (DNER), atual Departamento Nacional de

Infraestrutura de Transportes (DNIT). Os resultados obtidos pela comparação entre os dois

métodos através do software ELSYM5 mostraram diferença de tamanho das espessuras de

base e sub-base, sem alteração da espessura total do pavimento. A partir da variação do

módulo de elasticidade, os autores obtiveram um dimensionamento mais adequado e, com

isso, demonstraram a importância da realização de ensaios de caracterização física de

materiais que compõem as estradas de mina.

26

Reis (2014) propôs um sistema de classificação de estradas de mina baseado na

padronização de procedimentos de avaliação nas fases de projeto, construção e manutenção.

Determinou-se um conjunto de fatores a serem considerados em cada fase e o sistema de

classificação permite a obtenção da estrada de mina adequada dentro da sua função.

As restrições geométricas da mina sobre o dimensionamento de estradas de mina são

tratadas por Baek e Choi (2017) que propõem que o layout de uma estrada seja otimizado

usando a análise de caminho de menor custo, e as seções de estrada em zigue-zague

resultantes sejam simplificadas pela aplicação do algoritmo de Douglas-Peucker1.

Por fim, Soofastaei et al. (2015), ao avaliarem os parâmetros que mais influenciam a

resistência ao rolamento, indicam que a rugosidade da superfície de uma estrada de mina

representa 60% na variabilidade da resistência ao rolamento. Esse resultado demonstra a

importância da caracterização da rugosidade de superfície e sua consideração nos projetos de

dimensionamento de estradas de mina.

1.2 JUSTIFICATIVA

Estradas de minas a céu aberto para movimentação de minério e estéril são objetos de

destaque na gestão operacional de lavra, tendo, em muitos casos, setores e equipes

específicas, uma vez que as realidades estrutural e funcional destas estradas diferem

amplamente das de uso rodoviário. As estradas de mina devem ser projetadas e construídas de

modo a suportar a trafegabilidade dos veículos e garantir a economicidade e segurança no

transporte de materiais.

O revestimento ou camada superficial das estradas mineiras, constituindo-se elemento

fundamental na interação pneu-solo, exerce papel importante na busca destas garantias, pois

possui como função resistir à transmissão de esforços verticais e horizontais oriundos do

fluxo de veículos e fornecer resistência adequada ao rolamento de pneus dos caminhões.

Logo, a manutenção dessas estruturas através do controle da resistência ao rolamento

mediante a caracterização das irregularidades ou rugosidades existentes e a avaliação dos

impactos econômicos que estas exercem na operação de transporte são importantes para o

setor.

Aproximadamente 50% dos custos de operação são comumente oriundos da atividade

de transporte de minério e estéril (HUSTRULID, 2013; THOMPSON E VISSER, 2003;

1 Proposto em 1973, é o algoritmo mais citado na literatura de geoprocessamento. É utilizado para reduzir

número de pontos em uma poligonal que representa uma estrada, por exemplo. (DAVIS, 2000).

27

NORGATE E HAQUE, 2010 apud COFFEY et al., 2018). Os custos de transporte são

compostos pelo consumo de combustível, aquisição de pneus, materiais e serviços para

manutenção dos pneus e veículos, mão de obra para composição do staff operacional e

manutenção das vias de acesso, entre outros.

Diversos estudos com o objetivo de minimizar os custos de transporte e maximizar a

produtividade, no que tange à operação em lavra de mina a céu aberto, foram realizados e

publicados. Destacam-se os trabalhos de Wood (1994), Thompson e Visser (2000, 2003),

Douglas e Lawrence (2014), Soofastaei et al. (2015), Richardson e McIver (2015) e Coffey et

al. (2018).

Wood (1994) desenvolveu um modelo bidimensional, baseado na teoria clássica da

mecânica do solo, que permite que a profundidade do sulco em uma estrada seja estimada a

partir das informações contidas no relatório de investigação do local. Segundo o autor, a

profundidade do sulco pode ser incorporada nas equações de regressão para estimar a

resistência ao rolamento e estabelecer um ciclo ótimo de manutenção das estradas de

transporte.

Thompson e Visser (2000), através de estudos em algumas minas a céu aberto da

África do Sul, propuseram o aperfeiçoamento de técnicas de construção e gestão de estradas

apropriadas para as cargas transportadas pelos veículos atualmente em uso. O projeto

estrutural melhorado resultou em uma economia de 29% nos custos de construção, enquanto

que a seleção de materiais de revestimento ideais proporcionou melhor funcionalidade com

custos operacionais totais de transporte mais baixos.

Thompson e Visser (2003) ressaltam a influência da condição das estradas, medida

através de sua rugosidade, no aumento dos custos de transporte e elaboraram um sistema de

gestão de manutenção de vias com base no parâmetro de resistência ao rolamento e custo de

operação do veículo, de modo a otimizar a frequência de manutenção.

Douglas e Lawrence (2014), ao analisar a influência da condição da via na

performance dos caminhões fora-de-estrada, concluem que a velocidade e o consumo de

combustível são fortemente afetados pela inclinação da via e pela rigidez do pavimento. E

indicam a necessidade de mudanças na inclinação e na estrutura do pavimento, para reduzir a

resistência ao rolamento e melhorar a produtividade dos caminhões.

Soofastaei et al. (2015) identificaram, em uma mina de carvão na Austrália, os

parâmetros mais influentes na resistência ao rolamento e o efeito desses no consumo de

combustível dos caminhões fora-de-estrada. Os resultados da pesquisa mostram que a

28

condição da estrada, a pressão de inflação dos pneus e a velocidade do caminhão são os

parâmetros mais importantes na resistência ao rolamento.

Richardson e McIver (2015) desenvolveram um sistema de medição da rugosidade da

superfície das estradas que fornece relatórios pictóricos diários em uma mina, com o intuito

de identificar áreas que necessitam de manutenção. O sistema permite ainda estimar o

consumo de combustível e avaliar o efeito da rugosidade em sua variação. Com os dados

obtidos, os autores pretendem criar novos algoritmos capazes de predizerem onde as

irregularidades na estrada ocorrerão, para permitir que estratégias de manutenção preventiva

sejam empregadas.

Coffey et al. (2018) avaliaram o impacto da textura, rugosidade e deflexão do

pavimento na resistência ao rolamento experimentada por caminhões fora-de-estrada. A

resistência ao rolamento foi calculada através do registro de dados do torque do motor da roda

e a medição das propriedades do pavimento foi concluída utilizando perfilagem a laser. Os

resultados obtidos mostraram que a rugosidade e a deflexão do pavimento foram os

parâmetros que influenciaram significativamente a resistência ao rolamento.

Diante do exposto, verifica-se, de modo geral, que a condição funcional das vias de

transporte de minério e estéril – caracterizada pela rugosidade superficial do pavimento – é

um parâmetro fundamental a ser considerado no projeto de dimensionamento das estradas de

mina. Ao se determinar a rugosidade, a resistência ao rolamento a que os caminhões fora-de-

estrada são submetidos pode ser controlada dentro de uma faixa definida e, assim, contribuir

na gestão de redução de custos, aumento de produtividade e garantia de segurança de tráfego.

Diretrizes da Caterpillar ressaltam a importância em mensurar a rugosidade da via:

As condições da estrada ditam a velocidade, consumo de combustível, vida útil do

pneu, segurança e tonelagem anual movimentada. Superfícies limpas e lisas

estendem a vida útil dos pneus aos caminhões de mineração e reduzem a chance de

danos à máquina ou acidentes devido a riscos na estrada. Inclinações suaves e

constantes minimizam as mudanças de transmissão, permitem que os motoristas

mantenham velocidades médias mais altas, permitem um esforço de frenagem mais constante nos retornos e reduzem o derramamento e o consumo de combustível. Por

outro lado, estradas de mineração mal projetadas ou preservadas podem levar a um

aumento dramático dos custos causados pela perda de produtividade, redução da

vida útil do pneu, maior consumo de combustível, desgaste excessivo de

componentes, reparo e substituição de equipamentos importantes e problemas de

segurança. Mesmo estradas de transporte excepcionalmente projetadas exigem

tempo e esforço para se manter em boa forma. A manutenção regular ajuda a

eliminar os pequenos decréscimos de velocidade - e os aumentos nos tempos de

ciclo - que afetam negativamente a produção horária e anual. (CATERPILLAR,

2015 apud RICHARDSON; MCIVER, 2015, p. 2, traduzido pelo autor).

29

Portando, este estudo se justifica pela necessidade de quantificar a rugosidade

superficial das estradas de mina de modo a enriquecer as informações necessárias para a

determinação dos parâmetros operacionais de transporte (resistência ao rolamento, velocidade

e tempo de viagem dos caminhões, produtividade e custo unitário de transporte), e assim

auxiliar no dimensionamento de frota e na tomada de decisão acerca da gestão de manutenção

das estradas de mina. Ressalta-se que não há registro na literatura brasileira de trabalhos

realizados neste sentido, considerando a rugosidade como parâmetro quantitativo.

1.3 OBJETIVOS

Os objetivos a serem alcançados através do desenvolvimento deste trabalho de

pesquisa são divididos em objetivo geral e específicos.

1.3.1 Objetivo geral

O objetivo geral é quantificar a rugosidade existente no revestimento de estradas de

mina a céu aberto e avaliar o impacto deste parâmetro na resistência ao rolamento,

velocidade, tempo de viagem, produtividade dos caminhões fora-de-estrada e custos

operacionais de transporte.

1.3.2 Objetivos específicos

São objetivos específicos:

a) caracterizar qualitativamente e quantitativamente as estradas de mina quanto às

irregularidades existentes em sua superfície através da técnica de perfilagem a

laser, e obtenção da rugosidade através do Índice de Rugosidade Internacional

(IRI);

b) estimar a resistência ao rolamento mínima em estradas de duas minas de minério de

ferro de grande porte por meio de um modelo matemático;

c) estimar a velocidade média que os caminhões fora-de-estrada podem desenvolver

nas estradas destas minas e o tempo de viagem necessário, considerando as forças

30

de resistência ao rolamento, resistência devido à inclinação da via e resistência de

inércia;

d) avaliar a influência da rugosidade superficial das estradas de mina na variabilidade

da resistência ao rolamento, velocidade média e tempo de viagem dos caminhões

fora-de-estrada, produtividade e custo unitário de transporte.

1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO

Esta dissertação está estruturada em cinco capítulos, incluindo este capítulo

preliminar, no qual são apresentadas a natureza do trabalho de pesquisa, os objetivos a serem

alcançados e a justificativa em realizar tal pesquisa de modo a contribuir para o setor

acadêmico e industrial na área da mineração. O estudo aborda o impacto do dimensionamento

de estradas de mina na produtividade e nos custos de lavra de mina a céu aberto no que diz

respeito ao transporte de minério e estéril, bem como a influência das condições do pavimento

como elemento protagonista no sistema de dimensionamento de estradas e avaliação dos

parâmetros operacionais de transporte.

O segundo capítulo apresenta os conceitos e fundamentos teóricos necessários para

compreensão do tema em estudo por meio de uma concisa revisão da literatura. São

abordados aspectos gerais sobre o sistema de transporte por caminhões em mina a céu aberto,

como produtividade dos equipamentos e custos operacionais; aspectos gerais das estradas,

como as fases que compõem o dimensionamento das mesmas; aspectos sobre a superfície do

pavimento, através dos conceitos de rugosidade superficial, tração e forças que se opõem ao

movimento dos caminhões; e técnicas de medição e quantificação da rugosidade superficial

de pavimentos.

O terceiro capítulo discorre sobre os materiais e métodos empregados na pesquisa,

bem como as etapas necessárias para o desenvolvimento e conclusão da dissertação. É

apresentado o estudo de caso realizado em duas minas de minério de ferro de grande porte,

que contempla desde a seleção das estradas e coleta de dados por meio da perfilagem a laser e

consulta a banco de dados até o processamento das informações através de critérios

preestabelecidos, modelos matemáticos e ferramentas estatísticas.

O quarto capítulo se dedica aos resultados obtidos, no qual são realizadas discussões

sobre a influência da rugosidade nos parâmetros operacionais de transporte por caminhões

31

fora-de-estrada em lavra de mina a céu aberto. São utilizados recursos gráficos por meio de

tabelas e figuras.

O quinto capítulo – e último – apresenta a conclusão do estudo de caso enfatizando a

aderência dos resultados obtidos aos objetivos previamente estabelecidos, evidencia a

contribuição deste projeto para o setor acadêmico e à indústria da mineração e apresenta as

recomendações para a continuação deste estudo com o intuito de aprimorar técnicas utilizadas

levando em consideração parâmetros não avaliados e que necessitam de outra abordagem a

qual não foi o foco desta pesquisa.

32

2 REVISÃO DE LITERATURA

Na revisão que se segue são apresentados os conceitos e fundamentos teóricos

necessários para compreensão do objeto de estudo, bem como o estado da arte acerca da

produção científica realizada e divulgada, contextualizando o tema.

2.1 ASPECTOS ECONÔMICOS DE TRANSPORTE EM MINA A CÉU ABERTO

O principal objetivo do sistema de transporte em mina a céu aberto é a movimentação

de material de um ponto para outro com o menor custo possível. Para isso são utilizados, em

sua maioria, caminhões como veículos de transporte. Historicamente houve uma evolução do

porte desses equipamentos, devido ao aumento da produção nas minas.

Conforme López Jimeno et al. (2015), as capacidades dos caminhões variaram desde 5

toneladas em 1935, passando por 200 toneladas na década de 80 e chegando a 450 toneladas

nos dias atuais, acarretando grandes investimentos na aquisição da frota. Assim, a necessidade

de aumento de produtividade e redução dos custos na operação destes equipamentos são

fundamentais para a gestão econômica dos projetos minerários.

2.1.1 Produtividade dos caminhões

No transporte de minério e estéril realizado por caminhões em minas a céu aberto, a

produtividade consiste na relação entre a quantidade de material transportado, em toneladas,

desde um ponto de origem específico (frente de lavra) até um ponto de destino (pilha de

estéril, britagem, pátio de estoque, entre outros) e o tempo necessário para o transporte, em

horas.

A produtividade é um indicador operacional importante para o dimensionamento da

frota de carregamento e transporte (SOUSA JÚNIOR, 2012), cujo objetivo é atender ao

planejamento da lavra através de uma produção previamente estabelecida. Sua maximização é

importante, pois proporciona a amortização dos investimentos de aquisição dos equipamentos

e a obtenção de baixos custos de produção. Entretanto, é limitada por fatores como a

velocidade limite de tráfego, usualmente compreendida em 40 km/h ou 50 km/h, com o

intuito de preservar a segurança. É expressa pela equação (1) (LÓPEZ JIMENO et al., 2015).

33

.............................................................................................................. (Equação 1)

Onde:

P é a produtividade (t/h);

C é a capacidade de carga real da caçamba do caminhão (t);

E é o fator combinado da eficiência do operador e condição do equipamento;

Tc é o tempo de ciclo do caminhão (min).

De acordo com a equação (1), pode-se dizer que a capacidade de carga real do

caminhão depende da densidade do material fragmentado ou empolado e do volume e fator de

enchimento da caçamba (LÓPEZ JIMENO et al., 2015). O tempo de ciclo corresponde ao

somatório dos tempos fixos (carregamento, manobra, descarregamento e espera) e tempos

variáveis (viagem carregado e viagem vazio) despendidos na operação do caminhão.

O aumento da produtividade é consequência de um aumento da carga média

transportada pelo caminhão ou diminuição do seu tempo de ciclo. A carga média é limitada

pela capacidade da caçamba do caminhão, sendo, assim, um parâmetro de controle limitado.

Contudo, há registros no estado da arte de trabalhos realizados no sentido de manutenção

deste parâmetro.

Hodges et al. (2018) realizaram a estabilização da carga média de transporte de

minério de bauxita como uma alternativa de incremento de produtividade e,

consequentemente, redução de custos dentro do processo produtivo das operações unitárias de

lavra. A partir de melhorias implantadas na padronização da carga média de transporte

proporcionaram um aumento de 2,47% no volume da carga média transportada e otimização

do consumo de combustível em 2,53%, reduzindo a quantidade de viagens dos caminhões.

Por outro lado, a diminuição do tempo de ciclo do caminhão implica na redução dos

tempos fixos e tempos variáveis. Os tempos fixos são parâmetros de controle limitado, ao

contrário dos tempos variáveis que dependem diretamente da distância de transporte e da

velocidade média do caminhão, conforme equação (2) (LÓPEZ JIMENO et al., 2015).

.......................................................................................... (Equação 2)

Onde:

Tv é o tempo variável de transporte (min);

34

Di é a distância do trajeto de ida (m);

Dv é a distância do trajeto de volta (m);

Vi é a velocidade média carregado (km/h);

Vv é a velocidade média vazio (km/h).

A distância de transporte é um parâmetro inerente ao traçado de cada rota,

configurando um valor fixo medido entre o ponto de coleta e o ponto de descarte do material.

Ainda assim, há registros no estado da arte quanto à alteração da distância para se alcançar

maior produtividade e menor custo.

Felsch Júnior et al. (2018) realizaram melhorias operacionais em uma mina de ferro do

Quadrilátero Ferrífero reduzindo a distância de transporte. As melhorias resultaram em

decréscimo de 9,3% dos custos operacionais.

A velocidade máxima que um caminhão-fora-de-estrada pode desenvolver depende de

fatores técnicos do veículo, como potência do motor, eficiência do sistema de transmissão e

esforço de tração que o mesmo deve desenvolver para vencer as forças de resistência a que é

submetido (Figura 1). A velocidade máxima pode ser expressa mediante equação (3) (LÓPEZ

JIMENO et al., 2015).

............................................................................................................ (Equação 3)

Onde:

Vmax é a velocidade máxima (km/h);

Pot é a potência do caminhão (hp);

Et é a eficiência da transmissão;

T é o esforço de tração (kgf).

35

Figura 2.1 – Representação esquemática da força normal e de resistência (Traduzido de Hustrulid, 2013).

A figura 2.1 mostra que com o aumento da carga imposta ao pneu pela força normal

N, o esforço de tração, ou impulso que deve ser empregado para a roda começar a girar,

também aumenta. Para ocorrer o movimento, o esforço de tração empregado deve atingir uma

magnitude que supere o conjunto de forças contrárias, no qual faz parte a resistência ao

rolamento, por exemplo, e ser menor que a força de aderência. As forças de resistência são

abordadas nos itens 2.4, 2.5 e 2.6.

A velocidade é diretamente afetada pelas forças de resistência ao movimento, sendo

que, dentre estas, a resistência ao rolamento é afetada pela qualidade da via (TANNANT;

REGENSBURG, 2001). Desta forma, entende-se que a diminuição da resistência total a que o

caminhão é submetido acarreta menor esforço de tração para sua movimentação e,

consequentemente, maior velocidade é desenvolvida, respeitando-se os valores limites para o

tráfego. Assim, reduz-se o tempo de viagem de transporte, o que gera aumento da

produtividade e redução de custos.

2.1.2 Custos operacionais

Borges (2013) afirma que “uma das etapas de maior peso na composição dos custos

operacionais de toda a mina é a etapa de manuseio, que corresponde ao carregamento e

transporte, [...]”. Os custos de transporte correspondem aos gastos decorrentes do consumo de

combustível, lubrificantes (óleo e graxa), filtros (de ar, gasóleo e óleo), material de desgaste,

reparos, da aquisição e manutenção de pneus, materiais e da manutenção de vias e recursos

humanos (BORGES, 2013; LÓPEZ JIMENO et al., 2015).

Movimento

Tração necessária Forças de resistência Forças de

impulso

Tração

disponível

Tração

utilizável

Tração

36

Do manual da Caterpillar elaborado por Holman (2006), o modelo matemático para

obtenção do custo unitário final de transporte equivale à relação entre o somatório dos custos

por hora e a produtividade, sendo expresso em unidades monetárias de custo por tonelada,

US$/t (Equação 4).

........................................................................................................... (Equação 4)

Onde:

Cunit é o custo unitário operacional (US$/t);

Cop é o somatório dos custos operacionais de transporte (US$/h);

P é a produtividade dos caminhões (t/h).

Nota-se, portanto, que os custos operacionais são diretamente relacionados à qualidade

de construção das vias. O consumo de combustível, por exemplo, é fortemente impactado pela

resistência ao rolamento, enquanto que o desgaste e o tempo de vida dos pneus e os

componentes mecânicos dos caminhões são impactados pela rugosidade ou irregularidades

existentes na camada superficial das estradas, que demandam maiores necessidades de

manutenção.

De forma geral e esquematizada, a figura 2.2 apresenta a interdependência dos

parâmetros que influenciam a produtividade e custos de transporte. Os parâmetros em

destaque (coloração cinza) são aqueles que afetam diretamente os tempos variáveis, que é o

parâmetro com menor limitação de controle por parte da equipe de operação de mina quando

comparado aos parâmetros de carga média e tempos fixos.

Pode se observar, hierarquicamente (Figura 2.2), a rugosidade da via como elemento

importante de controle para a gestão econômica e segura das estradas. Neste caso, para o

estudo da influência deste parâmetro na resistência ao rolamento, velocidade, tempo de

viagem, produtividade e custos, são necessárias algumas simplificações devido à

complexidade em se obter ou mensurar determinados dados.

Tal simplificação, neste trabalho de pesquisa, não considera as características do

material que compõe o revestimento das estradas de mina (densidade, granulometria,

umidade, etc.) e as forças de resistência do ar e de inércia que se opõem ao movimento do

caminhão fora-de-estrada.

37

Figura 2.2 – Representação hierárquica dos parâmetros que influenciam a produtividade e custos de transporte.

2.2 ASPECTOS GERAIS DE ESTRADAS EM MINA A CÉU ABERTO

A evolução do porte dos caminhões de transporte em mina a céu aberto, percebido

pelo aumento da carga nominal destes veículos, demanda maior critério no projeto de

estradas, maior rigor na execução e constante reavaliação. O dimensionamento de estradas de

mina deve pautar na viabilização e garantia da segurança, economicidade e otimização da

vida útil dos equipamentos. Além disso, com a recente implementação do uso de caminhões

autônomos, critérios mais rigorosos baseados nas especificidades de projeto e na construção

de estradas são necessários.

38

2.2.1 Concepção básica sobre estradas de mina e suas particularidades

Do Dicionário da Língua Portuguesa, Novo Aurélio, estrada é um “caminho,

relativamente largo, destinado ao trânsito de pessoas, animais e veículos”. Embora este

conceito represente uma visão geral de uma estrada, é importante estabelecer que estas são

tipificadas e particularizadas de acordo com o ambiente de tráfego a que pertencem e suas

características peculiares como o tipo rodoviário, vicinal de terra, florestal e de mina.

A gestão das estradas rodoviárias possui estudos bem mais desenvolvidos, desde a

concepção de projeto até à construção e manutenção. Por outro lado, poucas referências e

pesquisas refletem o cenário das estradas de mina. Embora mais próxima das características

das estradas vicinais de terra e florestal, os acessos mineiros ainda se particularizam devido às

operações de lavra e às restrições impostas em sua concepção por fatores geológicos,

geotécnicos e de planejamento de mina.

Alguns autores, como os pioneiros Kaufman e Ault (1977), passando por Alex Visser

(África do Sul) e Roger Thompson (Austrália) (2009, 2008, 1996), Tannant e Regensburg

(2001) e López Jimeno et al. (2015), estabeleceram diretrizes sobre o dimensionamento das

estradas de mina, bem como sua gestão e manutenção. Embora estes estudos sejam adotados

como guias teórico e prático para as equipes de infraestrutura de mina no que se refere à

implementação de boas práticas na construção destas estruturas de tráfego, ainda há certa

timidez na aplicação destas ferramentas.

A idealização e concepção de uma estrada de mina são estabelecidas na fase de

projeto. Inicialmente tem-se o projeto geométrico, no qual é definido o melhor traçado para a

estrada. De acordo com Kaufman e Ault (1977), os parâmetros a serem considerados nesta

fase incluem largura, distâncias de parada e de visibilidade, rampa máxima sustentável,

superelevação, superlargura, raio de curvatura, configuração de curvas verticais e horizontais,

gradiente, leiras de segurança, inclinação para direcionamentos de drenagem e configuração

entre os alinhamentos horizontal e vertical.

Por conseguinte, tem-se o projeto de pavimento que se divide em estrutural e

funcional. O primeiro, segundo Reis (2014), corresponde à seleção de materiais e

dimensionamento das camadas, que de cima para baixo são conhecidas como base, sub-base e

reforço do subleito. O segundo discorre sobre a seleção e construção da camada de

revestimento, situada acima da base. De acordo com a NBR 7207 (ABNT, 1982 apud REIS

2014), e como mostra a figura 2.3, “o pavimento é uma estrutura construída após a

39

terraplenagem e destinada, econômica e simultaneamente, em seu conjunto, a resistir e

distribuir ao subleito os esforços verticais produzidos pelo tráfego; melhorar as condições de

rolamento quanto à comodidade e segurança; e resistir aos esforços horizontais que nele

atuam, tornando mais durável a superfície de rolamento.”

Figura 2.3 – Estrutura do pavimento (Adaptado de Bernucci et al.; 2007 apud Reis, 2014).

Por fim tem-se o projeto de drenagem, que contempla o escoamento da água

superficial das estradas e possibilita melhor operação das mesmas. Os dispositivos

implementados nesta etapa de projeto, segundo Oliveira Filho et al. (2010a apud REIS, 2014)

correspondem a valetas de proteção de corte e de aterro; sarjetas de corte e de aterro; descidas

d’água; saídas d’água; caixas coletoras; bueiros de gradiente; dissipadores de energia,

escalonamento de taludes e corta-rios.

A operação da estrada é estabelecida na fase de construção e manutenção. Na primeira

leva-se em conta a seleção de materiais para compor as camadas do pavimento, baseado em

suas propriedades, tais como distribuição granulométrica, resistência à compressão,

alterabilidade e rigidez, dentre outros. Realiza-se a terraplenagem para conformação

topográfica do terreno in situ, de modo permitir o recebimento do pavimento, via operações

de corte e aterro. Por fim, efetua-se a compactação para obtenção da máxima estabilidade, por

meio do aumento do grau de contato entre os grãos do solo – e emprega-se técnicas para

tratamento anti-pó à execução do projeto. Ressalta-se que, em função de redução de custos e

facilidade, as minas comumente realizam a compactação do pavimento por meio da frequente

passagem de caminhões durante o transporte de materiais.

Nesta fase também é considerado um parâmetro de grande importância na

funcionalidade do pavimento: a resistência ao rolamento, uma vez que alterações na camada

40

de revestimento provocam alterações neste índice (OLIVEIRA FILHO et al., 2010b). A

resistência ao rolamento, fenômeno que impacta a produtividade, os custos e a segurança no

transporte de minério e estéril, e que possui a rugosidade superficial da via como parâmetro

influenciador (Capítulo 1), é detalhada no item 2.4.

A fase de manutenção consiste em conservar a superfície de rolamento razoavelmente

isenta de irregularidades, firme e livre de material solto, além de manter a declividade

transversal do leito da estrada apropriada para assegurar o escoamento de águas superficiais

(VIEIRA, 2013). Desta forma, busca-se minimizar, periodicamente, os defeitos existentes na

superfície do revestimento ou até mesmo defeitos oriundos na estrutura do pavimento, pois

geram irregularidades que impactam na movimentação de veículos e diminuem a vida útil dos

mesmos e de seus componentes. Defeitos típicos de estradas mineiras incluem seção

transversal inadequada, poeira, caráter pedregoso, perda de agregados grossos, estrada

escorregadia, afundamento por trilha de roda, corrugações, depressões, buracos e pontos

fracos devido à drenagem deficiente (OLIVEIRA FILHO et al., 2010c apud REIS, 2014).

2.2.2 Revestimentos primários

A camada de revestimento de um pavimento (capa superficial) corresponde ao

elemento da via que interage com os equipamentos que nela trafegam e configura seu caráter

funcional. Sua composição, distribuição e compactação devem ser dimensionados de forma

que se possibilite a transmissão de esforços verticais às camadas inferiores e a resistência de

esforços horizontais cisalhantes, além da promoção da segurança e comodidade enquanto se

trafega. Nas estradas de mina o revestimento constitui-se de uma camada colocada sobre o

reforço do subleito ou diretamente sobre o subleito, na ausência das camadas de base e sub-

base. É denominado como revestimento primário ou forro.

Normalmente, os materiais que compões os revestimentos primários de estradas não

pavimentadas provém da própria mina como o estéril, por exemplo, ou até mesmo minério de

baixo teor, cascalhos, lateritas e itabiritos, além de resíduos oriundos do processo de

beneficiamento. Em caso de escassez ou inexistência desses materiais, pode-se recorrer às

misturas de outros materiais naturais e/ou artificiais, de maneira que produzam uma superfície

de rolamento que atenda às demandas de tráfego (BAESSO; GONÇALVES, 2003).

O revestimento promove tração e resistência à ação abrasiva do tráfego e ao

cisalhamento, além de transmitir o carregamento do pneu para a base, selando-a contra a

41

penetração de água superficial (MASETTI et al., 2011). Além disso, o revestimento ideal para

a construção de uma estrada de mina deve favorecer aspectos como a adequada

trafegabilidade em condições climáticas variadas; a diminuição de poeira excessiva no

período seco; diminuição de piso escorregadio no período chuvoso; e o baixo custo e redução

da necessidade de manutenção.

As condições da superfície do revestimento de uma estrada de mina influenciam

diretamente parâmetros de segurança, qualidade e custos de manutenção dos caminhões

(consumo de combustível e lubrificante, desgaste dos pneus, etc.), uma vez que esta estrutura

pode abrigar defeitos de natureza estrutural e/ou funcional (VIEIRA, 2013).

Não obstante, Ferreira (2004 apud VIEIRA, 2013) comenta sobre a importância da

caracterização das condições superficiais das estradas e afirma que a partir dessa

caracterização podem ser definidos os tipos de manutenção necessária como rotina,

reconformação, restauração e reconstrução. A frequência de manutenção corretiva será menor,

quanto menor o nível de deterioração da estrada.

Portanto, o objeto de estudo desta pesquisa se concentra na camada de revestimento da

estrada. Logo, a caracterização das irregularidades existentes neste elemento estrutural é

fundamental para avaliar seu impacto na operação e tráfego dos caminhões.

2.3 CONSIDERAÇÕES SOBRE A SUPERFÍCIE DO REVESTIMENTO DAS ESTRADAS DE MINA

A superfície de um revestimento de uma estrada de mina comporta-se como interface

da interação pneu-solo no processo de movimentação de caminhões para transporte de

minério e estéril. Tal processo pode ser mais seguro e econômico quanto melhor controlado as

variáveis que compõe a interação rugosidade-tração-resistência ao rolamento.

Thompson (1996) afirma que a rugosidade presente na superfície de um revestimento

de estrada de mina é a principal medida da condição do pavimento e está relacionada aos

custos de operação do veículo e frequência de manutenção das vias (Figura 2.4). De modo

geral, a rugosidade engloba os defeitos de superfície como corrugações, buracos, sulcos,

dentre outros.

Para manter baixa a rugosidade da superfície de uma estrada de mina deve-se ter uma

alta frequência de manutenção, o que eleva os custos de manutenção, porém diminui os custos

de operação de veículos. Por outro lado, para uma maior rugosidade, a frequência e os custos

de manutenção caem. Porém, os custos de operação dos veículos aumentam

42

consideravelmente. Desta forma, busca-se encontrar um ponto de equilíbrio, como sugerido

na figura 2.4, cujo custo total mínimo definido permite definir também a rugosidade aceitável

e a frequência de manutenção que leva à esta rugosidade.

Min Max

Max Min

Frequência de manutenção

Rugosidade da superfície da estrada

Custos totais

Custo mínimo

Custos totais

Custos de manutenção

Custos de operaçãodo veículo

Figura 2.4 – Minimização dos custos de manutenção de via e operação do veículo de transporte (Traduzido de

Thompson, 1996).

Para Tannant e Regensburg (2001) a tração é importante do ponto de vista da

segurança, pois evita que o veículo de transporte saia da estrada devido à perda de aderência.

Já a resistência ao rolamento é importante do ponto de vista da velocidade e produtividade do

caminhão. Desta forma, são definidos a seguir os conceitos acerca da rugosidade da superfície

da via, tração, aderência e resistência ao movimento de veículos de transporte, bem como as

condições necessárias para que haja a locomoção dos caminhões.

2.3.1 Rugosidade

A rugosidade da superfície de uma estrada de mina é causada pela presença de

buracos, ondulações, depressões e sulcos. Essas irregularidades afetam a vida útil dos

componentes do veículo de transporte – como o chassi, suspensão, motor e pneus – que

qualquer outro parâmetro. As forças de impacto transmitidas a esses componentes devido à

rugosidade da via são proporcionais ao peso bruto do veículo, porém a magnitude do impacto

43

dessas forças é proporcional ao quadrado da velocidade do caminhão quando ele atinge

pontos de irregularidades da via (TANNANT; REGENSBURG, 2001).

Para López Jimeno et al. (2015) os ensaios de campo demonstram que a grande

maioria das forças de impacto transmitidas ao caminhão ocorrem nos 150 m mais próximos

da frente de carga e praça de descarga, justamente pela dificuldade maior em manter estas

superfícies em condições regulares de tráfego devido à baixa ociosidade em termos de

produção e grande quantidade de movimentos de manobra que o caminhão realiza, alterando,

assim, a conformação do solo. Os autores alertam da necessidade de boa operação conjugada

entre o equipamento de carregamento e o caminhão, de modo a evitar, ao máximo possível, o

caimento de material solto nestas zonas, o que aumenta a rugosidade.

Thompson (1996) afirma que a rugosidade é um fator primordial a ser considerado

para a quantificação da resistência ao rolamento a que os veículos de transporte são

submetidos. Estradas irregulares forçam o operador do caminhão a reduzir a velocidade para

trafegar com segurança impactando negativamente na produção. Thompson (1996) propõe um

modelo de progressão da rugosidade da superfície das vias baseado na correlação entre a

resistência ao rolamento e um escore de defeitos de estradas que podem ser obtidos via uma

análise funcional.

Ainda, registros na literatura demonstram que as avaliações existentes da rugosidade

da estrada são altamente subjetivas e localizadas e não avaliam rigorosamente seus

componentes contributivos (THOMPSON, 1996). O autor, portanto, desenvolveu uma técnica

de avaliação qualitativa que abrange uma quantidade maior de defeitos de via, e os dados

obtidos possibilitaram a elaboração de um modelo matemático que permite relacionar a

evolução da rugosidade com a frequência de manutenção da via, e também a resistência ao

rolamento produzida.

Uma avaliação qualitativa, baseada em pontuações atribuídas à cada tipo de defeito

considerando sua extensão e grau de severidade, foi correlacionada à rugosidade obtida por

medição em campo, por meio do Índice de Rugosidade Internacional (IRI), detalhado no item

2.8.1. O IRI compreende a um valor de rugosidade e compõe o perfil longitudinal da via, para

cada roda do veículo de transporte, no qual são apresentados os desvios de cota do terreno a

partir de um plano horizontal de referência. Desta forma, os resultados são calibrados

permitindo a validação da técnica.

Kansake e Frimpong (2018) desenvolveram modelos matemáticos para estimar as

cargas dinâmicas de pneus em vias de transporte de mina, uma vez que as atuais técnicas de

44

projeto de estradas assumem cargas estáticas. Os resultados mostraram que as rugosidades da

via afetam significativamente as forças de impacto do pneu no solo, considerando forças

dinâmicas 60% superiores às forças estáticas. O método apresentado fornece estimativas

realistas das forças de impacto dos pneus, que servem como dados de entrada úteis para o

projeto de estradas de transporte.

A caracterização da rugosidade da superfície das estradas de mina objeto dessa

pesquisa, assemelha-se ao trabalho realizado por Thompson (1996) no que diz respeito à

obtenção dos resultados via IRI. A posteriori, é proposto uma metodologia para correlacionar

os resultados obtidos com os parâmetros operacionais de transporte: resistência ao rolamento,

velocidade e tempo de viagem dos caminhões, produtividade e custo unitário de transporte.

2.3.2 Tração e aderência

Um dos objetivos do revestimento de um pavimento é fornecer tração entre a

superfície da via e o pneu do veículo de transporte. A tração governa o potencial de

deslizamento de um veículo (TANNANT; REGENSBURG, 2001), e basicamente depende do

tipo de material que compõe a camada de revestimento, além de outros parâmetros. É o

elemento que compõe as forças que impulsionam a locomoção de um equipamento, no que se

conhece como esforço de tração ou força motriz.

De acordo com Vieira (2013, p. 39), “solos cascalhados naturais e rochas britadas são

materiais largamente utilizados na construção de estradas de mina, principalmente na base e

no revestimento. Esses materiais exibem baixa resistência ao rolamento e elevada aderência.”

Desta forma, estes materiais permitem boa tração quando os acessos são construídos e

mantidos adequadamente, além de garantir a máxima segurança e eficiência operacional, além

de serem encontrados na própria mina ou no seu entorno, podendo ser usados a baixo custo e

com rapidez de obtenção.

Monenco (1989 apud TANNANT; REGENSBURG, 2001) aponta como desvantagens

na utilização destes materiais a necessidade de manutenção frequente e possível necessidade

de britagem e peneiramento. Além disso, podem gerar material inconsolidado e poeira no

período seco e são passíveis de erosão quando inundados.

O esforço de tração pode ser calculado, aproximadamente, para cada velocidade de

marcha, de acordo com a equação (5) (LÓPEZ JIMENO et al., 2015).

45

.................................................................................................................... (Equação 5)

Onde:

T é o esforço de tração (kgf);

Pot é a potência do caminhão (hp);

Et é a eficiência da transmissão;

Vmax é a velocidade máxima (km/h).

A potência útil de um motor é transferida para as rodas por meio de vários

mecanismos, entre os quais está o câmbio de velocidade, que tem por finalidade adaptar o

número de revoluções em que o motor desenvolve toda sua potência à velocidade de

translação do motor. Em potência constante, as forças produzidas nas rodas motrizes e na

barra de tração serão maiores quanto maior for o número de revoluções das rodas. Desta

forma, o esforço de tração disponível é a quantidade de quilogramas-força que um motor pode

fornecer ao ponto de contato entre o pneu e o solo para impulsar a máquina ao movimento e

vencer as resistências que se opõem (RICARDO; CATALANI, 1977 e LÓPEZ JIMENO et

al., 2015;).

O coeficiente que fornece a eficiência da transmissão da potência às rodas motrizes

considera as perdas devidas ao atrito nos mancais e engrenagens e o estado mecânico do

veículo, cujo valor médio é 0,80 para máquinas novas e 0,60 para equipamentos muito

desgastados (RICARDO; CATALANI, 1977). De acordo com a equação (5), o esforço de

tração é variável para cada valor de velocidade e alcançaria um máximo para uma velocidade

muito pequena. Porém esta força é inalcançável por uma série de razões, primeiro, pela

existência do sistema de transmissão de potência de um número finito de relações de

engrenagens, com as perdas devido ao atrito interno e, segundo, porque o esforço de tração

real que uma máquina pode realizar depende também de seu peso e do coeficiente de

aderência dos pneus com o solo (LÓPEZ JIMENO et al., 2015).

O esforço de tração produzido nas rodas motrizes faz surgir uma força igual e oposta

denominada reação tangencial do solo ou força de aderência, oriunda do atrito do pneu com o

solo. Tal força depende da carga sobre a roda motriz e o coeficiente de aderência atribuído a

cada natureza de pista, conforme tabela 2.1. Deste modo, sempre que o esforço trator superar

a força de aderência haverá o patinamento da roda sobre si mesma. Inversamente, sempre que

46

o esforço trator não superar a dita força de aderência, não subsistirá o patinamento e o pneu

rola sobre a superfície (RICARDO; CATALANI, 1977).

Tem-se, portanto, duas condições que devem ser consideradas na análise da mecânica

de movimento dos equipamentos: o esforço de tração não deve superar a força de aderência

(garantia de deslizamento) e deve vencer as forças de resistência que se opõem, sendo que a

primeira facilita a ocorrência da segunda.

Tabela 2.1 – Coeficiente de aderência entre pneus de borracha e vários tipos de pista.

Natureza da pista Coeficiente de aderência (kg/t)

Pavimento concreto 880 - 1000

Argila seca 500 - 580

Argila molhada 400 - 490

Pavimento asfáltico seco 600

Pedregulho 360

Areia solta 200 - 350

Macadame seco 700

Pavimento úmido (início de chuva) 250

Pavimento lavado por chuva 400

Pavimento com óleo 200 Adaptado de Ricardo e Catalani (1977).

2.4 RESISTÊNCIA AO ROLAMENTO

As resistências que se opõem ao movimento de um veículo são: a resistência ao

rolamento, resistência devido à inclinação da via, resistência de inércia e resistência do ar

(RICARDO; CATALANI, 1977). A resistência ao rolamento é uma medida importante da

condição superficial da via e influencia diretamente o desempenho e a produtividade dos

veículos de transporte. A resistência ocorre quando o veículo está se movendo acima da

superfície da estrada devido à interação entre o pneu e o material da via. Tannant e

Regensburg (2001) e López Jimeno et al. (2015) a definem como a parcela da quantidade de

tração ou esforço de tração necessária para superar o efeito de retardo entre o pneu do

caminhão e o solo. Thompson (1996) afirma que a resistência ao rolamento é a resistência que

a superfície do pavimento apresenta ao movimento de veículos. Wicaksana et al. (2011)

complementam que a resistência ao rolamento de um veículo é definida como a força que se

opõe ao movimento horizontal sobre uma superfície deformável ou sobre pneus flexíveis ou

uma taxa de perda de energia para o solo e/ou pneus. Em outras palavras, a resistência ao

47

rolamento é a medida de parte da força a ser superada para que uma roda inicie seu

movimento de rotação sobre o solo.

Assim, quanto menor a resistência ao rolamento de um pneu, menos energia será

necessário para fazê-lo "girar", resultando em economia de combustível e por consequência,

menor emissão de poluentes na atmosfera. Esse cenário indica, também, baixa rugosidade da

via, o que gera a minimização dos danos ao veículo de transporte e melhor desenvolvimento

de sua velocidade, portanto reduz o tempo de ciclo e aumenta a produtividade. A resistência

ao rolamento aproxima do ideal em superfícies muito duras, lisas, com uma base bem

compactada. Um exemplo de como um caminhão enfrentará maior resistência ao rolamento

pode ser observado numa estrada de mina cujo revestimento é composto de canga laterítica

(Figura 2.5) e em outro (Figura 2.6) de rocha máfica decomposta. Pode-se observar pelas

figuras um maior impacto funcional no trânsito de veículos de transporte na estrada

representada na figura 2.6.

Figura 2.5 – Aplicação funcional da canga laterítica no revestimento de pistas (Vieira, 2013).

48

Figura 2.6 – Aplicação funcional da máfica decomposta no revestimento de pistas (Vieira, 2013).

Para um veículo específico, os principais fatores que afetam a resistência ao rolamento

são a rugosidade da via, o tipo e a velocidade do pneu, segundo Bester (1981 apud

THOMPSON, 1996). Além disso, é linearmente relacionada à carga imposta ao pneu do

caminhão, conforme equação (6), de acordo com Wong (1993 apud WICAKSANA, 2011).

....................................................................................................... (Equação 6)

Onde:

RR é a resistência ao rolamento (N);

CRR é o coeficiente de resistência ao rolamento;

W é a carga imposta ao pneu (N).

A resistência ao rolamento geralmente é dada em unidades de quilograma-força (kgf)

ou Newton (N), porém é mais comumente expressa pelo seu coeficiente, conforme a equação

(6), em valores absolutos ou porcentagem, quando multiplicado pelo fator 100. Por exemplo,

um caminhão que viaja em um trecho horizontal com 5% de resistência ao rolamento significa

dizer que uma força horizontal equivalente a 5% de seu peso bruto está sendo superada para

que ocorra o movimento para frente. Outra maneira de expressar o coeficiente de resistência

ao rolamento é através da relação kgf/t, que representa a quantidade de força que deve ser

49

superada para cada unidade de massa do veículo. Alguns valores de coeficientes de resistência

ao rolamento são apresentados na tabela 2.2, para tipos específicos de pneu e superfícies de

estrada.

Tabela 2.2 – Coeficiente de resistência ao rolamento para alguns pneus e pavimentos.

Tipos de pneu Superfície

Concreto Solo de dureza média Areia

Carro de passageiro 0,015 0,08 0,30

Caminhão 0,011 0,06 0,25

Trator 0,020 0,04 0,20 Adaptado de Taborek (1975 apud WICAKSANA, 2011).

Vários são os modelos desenvolvidos para mensurar a resistência ao rolamento, desde

abordagens qualitativas quanto abordagens quantitativas. Thompson e Visser (1999)

desenvolveram um método, denominado Sistema de Gerenciamento da Manutenção que,

através dos defeitos observados em estradas de mina, permite uma estimativa de resistência ao

rolamento além de definir o intervalo ideal de manutenção, ou seja, aquela frequência que

minimiza os custos de operação da estrada e aperfeiçoa seu desempenho (REIS, 2014).

Avaliam-se os defeitos da estrada quanto ao grau de severidade e extensão (Tabela 2.3), e

atribui-se um peso. A pontuação obtida é correlacionada a uma determinada velocidade e

obtém-se o respectivo valor de resistência ao rolamento, através de um ábaco.

Outra abordagem realizada por Thompson (1996) permitiu a elaboração do modelo

matemático empírico de resistência ao rolamento baseado na rugosidade da estrada (Equação

7). A resistência ao rolamento foi medida utilizando uma técnica denominada coast-model,

detalhada em Thiene e Dijks (1981) e Ardensen et al. (2015) e os resultados foram

correlacionados com valores de rugosidade previamente medidas e pontuadas (Tabela 2.3).

.............................................................................. (Equação 7)

Onde:

RR é a resistência ao rolamento (N/kg);

RRMIN é a resistência ao rolamento mínima, quando RDS = 0;

RDS é a pontuação de defeito de rugosidade; e

f é uma função de regressão que é uma combinação linear de variáveis independentes.

50

Tabela 2.3 – Grau e extensão dos defeitos observados em estradas de mina.

Peso Nível Grau do defeito Extensão do defeito

1 Leve Defeito dificilmente discernível Menos que 5% da estrada

afetada

2 Entre leve e

atenção Defeito facilmente discernível

Entre 5 e 15% da estrada

afetada

3 Atenção Defeito notável com relações a

possíveis consequências


afetada

4 Entre atenção e

severo

Defeito sério com relação a possíveis

consequências


afetada

5 Severo Defeito extremo com relação a

possíveis consequências

Mais que 60% da estrada

afetada Thompson e Visser (2008 apud REIS, 2014).

Gali (2015) propõe um modelo analítico para estimativa da resistência ao rolamento

em pneus de carga baseado no modelo de Rhyne e Cron (2012) ao considerar a área de

contato formada na região de interação entre o pneu e o pavimento devido ao fenômeno de

deformação do pneu. O modelo analítico foi comparado a um modelo numérico obtido pelo

método dos elementos finitos e os resultados apresentaram correlação comportamental

satisfatória, validando, assim, sua proposta de estimativa.

A Caterpillar propõe uma relação de valores de resistência ao rolamento baseado na

flexão e penetração do pneu no solo (Figura 2.7), na qual, para caminhões fora-de-estrada

com pneus radiais, adota-se uma resistência mínima ao rolamento, de acordo com a tabela 2.4.

A empresa ainda afirma que, na prática, um aumento de 5% na resistência ao rolamento pode

resultar em uma redução de até 10% na produção e um aumento de 35% nos custos de

produção.

Penetração do pneu

Figura 2.7 – Interação pneu-solo durante o tráfego de veículos de transporte (Adaptado de Holman, 2006).

51

Tabela 2.4 – Valores de resistência ao rolamento de acordo com a flexão e penetração do pneu no solo.

1,5% para estradas de transporte permanentes, duras e bem conservadas.

3% para uma estrada bem conservada com pouca flexão.

4% para uma estrada com penetração de pneus de 25 mm (1 pol).




Adaptado de Holman (2006).

Outra forma de mensurar a resistência ao rolamento, segundo Caterpillar (1999 apud

TANNANT; REGENSBURG, 2001) se dá por uma expressão empírica (Equação 8), baseada

no afundamento do pneu no revestimento da estrada, onde RR é a resistência ao rolamento,

dada em porcentagem. Neste caso, o resultado obtido significa dizer que para cada centímetro

de afundamento do pneu do caminhão é necessário mais 0,6% de seu peso em força para

vencer a resistência ao movimento.

......................... (Equação 8)

Na figura 2.8, por exemplo, Vieira (2013) cita o caminhão da foto à esquerda

trafegando numa pista com somente 2% de resistência ao rolamento, onde não se observa

afundamento do pneu. Enquanto no caminhão da direita tem uma resistência ao rolamento de

8%, considerando-se 10 cm de afundamento médio.

52

Os ábacos de esforço de tração existente nos manuais técnicos dos caminhões fora-de-

estrada da Caterpillar permitem determinar a velocidade que o caminhão deve imprimir

considerando seu peso, a resistência ao rolamento e a resistência devido à inclinação da via, o

que proporciona suporte de operação ao condutor do veículo. As figuras 2.9 e 2.10

apresentam os ábacos para trechos em declive e aclive, respectivamente, para caminhões fora-

de-estrada modelo 772G, com capacidade de 52 toneladas.

Para determinar o desempenho em declive, deve-se somar os comprimentos de todos

os segmentos de declives e, usando esse total, consultar o ábaco correspondente. Leia-se a

partir do peso bruto (caminhão vazio ou carregado, dependendo do caso) até a porcentagem

de inclinação efetiva. A inclinação efetiva é igual à porcentagem de inclinação real menos 1%

para cada 10 kg/t de resistência ao rolamento. A partir desse ponto de inclinação de peso

efetivo, leia-se horizontalmente até a curva com a engrenagem mais elevada atingível e depois

até a velocidade máxima de descida que os freios podem suportar corretamente sem exceder a

capacidade de arrefecimento (CATERPILLAR, 2012).

Para determinar o desempenho em aclive, leia-se a partir do peso bruto (caminhão

vazio ou carregado, dependendo do caso) até a porcentagem de resistência total. A resistência

total equivale à porcentagem de inclinação real mais 1% para cada 10 kg/t de resistência de

rolamento. Nesse ponto de resistência de peso, faça a leitura horizontalmente até a curva com

Figura 2.8 – Resistência ao rolamento enfrentado pelos caminhões fora-de-estrada, em uma mina de ferro

(Vieira, 2013).

53

a maior engrenagem possível e, em seguida, para baixo até a velocidade máxima. A força de

tração utilizável dependerá da tração disponível e do peso nas rodas (CATERPILLAR, 2012).

Figura 2.9 – Curvas de desempenho do caminhão fora-de-estrada 772G, em declive (Manual técnico da

Caterpillar, 2012).

54

Figura 2.10 – Curvas de desempenho do caminhão fora-de-estrada 772G, em aclive (Manual técnico da

Caterpillar, 2012).

Como a maioria dos trabalhos sobre a resistência ao rolamento e sua relação com a

rugosidade das estradas foram limitados aos tipos de veículos comumente usados no domínio

público, existe pouca informação a respeito do efeito da resistência ao rolamento para

caminhões fora-de-estrada utilizados na mineração.

Desta forma, Coffey et al. (2018) realizaram um estudo de correlação entre a

resistência ao rolamento e a rugosidade e deflexão da superfície da via, considerando um

caminhão fora-de-estrada com capacidade de 240 toneladas em três estradas diferentes. Os

modelos obtidos por regressão apresentaram um coeficiente de determinação equivalentes à

0,993 e 0,987. Concluíram que a rugosidade possui, em peso, o dobro de influência na

resistência ao rolamento quando comparado à deflexão da via para caminhões vazios, e

praticamente a mesma influência quando se tem caminhões carregados. Os autores utilizaram

os modelos matemáticos representados pela equação (9), que fornece a força motriz para que

ocorra o movimento do caminhão, e pela equação (10), que representa o coeficiente de

resistência ao rolamento obtido através da relação entre a força motriz e à carga imposta a um

pneu quando o caminhão está carregado.

........................................................................................ (Equação 9)

55

.............................................................................................. (Equação 10)

Onde:

Ftotal é a força motriz (kN);

GR é a relação de transmissão do veículo;

Tq é o torque do motor (kNm);

R é o raio de rolamento do pneu (m);

Far é a força de resistência do ar (kN);


W é a carga imposta ao pneu quando o caminhão está carregado (kN).

Os resultados de resistência ao rolamento obtidos por Coffey et al. (2018) foram

comparados com os resultados obtidos da simulação de modelos matemáticos propostos por

Thompson et al. (2011), Kaufman et al. (1977), Worldbank apud Zaabar e Chatti (2010),

dentre outros. Os autores concluíram que o modelo denominado HDM-4 desenvolvido pelo

Banco Mundial e utilizado por Zaabar e Chatti (2010) em sua pesquisa sobre o efeito da

rugosidade do pavimento no consumo de combustível de veículos de transporte, deve ser

considerado para pesquisas futuras devido à sua ampla aplicação em todo o mundo e sua

capacidade de ser adaptado a condições específicas.

Outros estudos com diversas abordagens e que foram desenvolvidos no sentido de

mensurar a resistência ao rolamento podem ser encontrados em Karaftath (1988), Rempel

(2006), Wicaksana et al. (2011), Redrouthu e Das (2014), Andersen et al. (2015) e Taghavifar

e Mardani (2017).

2.4.1 Modelo matemático de resistência ao rolamento: HDM-4

Highway Development and Management model (HDM-4) ou Modelo de

Desenvolvimento e Gestão de Estradas consiste em um software desenvolvido pelo Banco

Mundial e utilizado pelo DNIT que possui um conjunto de ferramentas desenhadas para

apoiar a tomada de decisões relacionadas à gestão da conservação e à reabilitação de

pavimentos de redes viárias, em aplicações dirigidas ao planejamento estratégico, à

programação de atividades de intervenção e à avaliação econômica de planos e políticas de

conservação (DNIT, 2015).

56

O programa inclui, dentre outras ferramentas, um modelo de predição de consumo de

combustível derivado do modelo desenvolvido pelo The Australian Roads Research Board

(ARRB) após a conclusão de vários estudos sobre consumo de combustível na Austrália no

início dos anos 80 (GREENWOOD et al., 2003 apud COFFEY et al., 2015). O modelo

considera o consumo de combustível como função da potência de entrada e saída do motor,

onde a potência do motor é considerada como uma função da velocidade do motor

(ZAABAR; CHATTI, 2010).

Dados de motores foram utilizados no desenvolvimento deste modelo para quantificar

a quantidade de combustível necessária para uma determinada demanda de energia e seu

formato final requer uma quantidade significativa de dados de entrada simplificados, mas foi

considerado adequado para aplicação em todas as classes de veículos (GREENWOOD et al.,

2003 apud COFFEY et al., 2015).

Ao calcular o consumo de combustível de veículos de transporte, o modelo considera

os efeitos da resistência ao rolamento, medida através de um submodelo incorporado ao

modelo global. É amplamente utilizado no mundo devido ao fato de ter sido validado e

modificado para as condições de transporte em muitos países desde que foi originalmente

desenvolvido na Austrália (COFFEY et al., 2015). Neste trabalho de pesquisa, é considerada

somente a equação para determinação da resistência ao rolamento presente no modelo

completo, e esta será tratada ao longo da dissertação como modelo HDM-4, para fins de

identificação.

Desta forma, o modelo HDM-4 possui uma estrutura de parâmetros que englobam

características do veículo de transporte (massa e velocidade), dos pneus (quantidade e

diâmetro) e do pavimento de rodagem (textura, rugosidade e deflexão), além da condição

climática (seco, neve e chuva), o que o torna, portanto, o modelo mais detalhado que outros

relatados na literatura (COFFEY et al., 2015).

A massa e a velocidade do veículo são consideradas como variáveis independentes

entre si, enquanto que as características do pavimento são consideradas isoladamente em um

coeficiente denominado fator de superfície de resistência ao rolamento. O modelo é

apresentado na equação (11) e possui as equações auxiliares (12), (13), (14), (15), (16), (17).

[ ] .............. (Equação 11)

Onde:

57

RR é a resistência ao rolamento (N);

CR2 é o fator de superfície de resistência ao rolamento;

FCLIM é o fator climático;

b11, b12 e b13 são parâmetros de resistência ao rolamento;

Nw é a quantidade de pneus;

CR1 é fator de resistência ao rolamento do pneu (Tabela 2.5);

M é a massa do caminhão (kg);

v é a velocidade do caminhão (m/s).

.............................. (Equação 12)

Onde:

Kcr2 é o fator de calibração (Tabela 2.6);

a0, a1, a2 e a3 são coeficientes do modelo (Tabela 2.7);

Tdsp é a profundidade da textura medida pelo método Sand Patch (mm);

IRI é o índice de rugosidade internacional (m/km);

DEF é a deflexão do pavimento medido pelo teste da viga de Benkelman (mm);

............................................ (Equação 13)

Onde:

PCTDS é a porcentagem de viagens em condição climática de neve;

PCTDW é a porcentagem de viagens em condição climática de chuva.

..................................................................................................... (Equação 14)

................................................................ (Equação 15)

................................................................... (Equação 16)

(

) ........................................................................................... (Equação 17)

Onde:

Dw é o diâmetro do pneu (m).

58

Tabela 2.5 – Fator de resistência ao rolamento do pneu

Tipo de pneu CR1

Pneu radial 1,00

Pneu diagonal 1,30 Adaptado de Chatti e Zaabar (2012).

Tabela 2.6 – Fator de calibração para classes de veículos.

Classe de veículo Peso tara (t) Kcr2

Carro de passageiro 1,46 0,50

Veículo utilitário esportivo 2,50 0,58

Van 2,54 0,67

Caminhão leve 3,70 0,99

Caminhão articulado 13,60 1,10 Adaptado de Chatti e Zaabar (2012).

Tabela 2.7 – Coeficientes do fator de superfície de resistência ao rolamento.

Classe da superfície

Massa do veículo

<= 2,5 (t) > 2,5 (t)

a0 a1 a2 a3 a0 a1 a2 a3

Asfalto 0,50 0,02 0,10 0,00 0,57 0,04 0,04 1,34

Concreto 0,50 0,02 0,10 0,00 0,57 0,04 0,04 0,00

Revestimento primário 0,80 0,00 0,10 0,00 0,80 0,00 0,10 0,00 Adaptado de Zaabar (2010 apud Coffey et al., 2015).

2.5 RESISTÊNCIA DEVIDO À INCLINAÇÃO DA VIA

A resistência devido à inclinação da via é a força a que os veículos de transporte são

submetidos devida à ação da gravidade quando se movem por uma rampa ascendente ou

descendente (aclive ou declive). Para um determinado ângulo de inclinação (θ) da via, a

componente horizontal (W.senθ) da força peso (W) do veículo atua favorecendo seu

movimento quando em declive, ou contrariando, quando em aclive, o que diminui e aumenta a

resistência que o veículo deve vencer, respectivamente, conforme figura 2.11.

59

Figura 2.11 – Distribuição da força de gravidade em um caminhão fora-de-estrada durante a subida (Adaptado de

López Jimeno et al., 2015).

As inclinações são expressas geralmente em porcentagem e consistem na relação entre

a altura de elevação da via e sua longitude em horizontal (Equação 18). São comumente

chamadas de grade e equivalem ao coeficiente de resistência devido à inclinação da via. Para

pequenas inclinações de via tem-se sen(θ) tg(θ), cometendo-se erro desprezível para

inclinações menores que 20% (RICARDO; CATALANI, 1977). Como exemplo, uma pista

com elevação de 6m em 100 m de longitude em horizontal possui uma inclinação de 6%

(LÓPEZ JIMENO et al., 2015).

.......................................................................................................... (Equação 18)

Onde:

θ é a inclinação da via (°);

fθ é o coeficiente de resistência devido à inclinação da via;

Um caminhão fora-de-estrada com peso tara de 36 000 kg, ao percorrer uma via com

inclinação de 6%, deve desenvolver um esforço de tração equivalente a 2 160 kg para vencer

a resistência proporcionada pela inclinação. Assim, a resistência devido à inclinação da via

pode ser expressa mediante a equação (19).

........................................................................................................ (Equação 19)

Onde:

60

θ é a inclinação da via (°);

fθ é o coeficiente de resistência devido à inclinação da via;

Rθ é a resistência devido à inclinação da via (N);

W é o peso do caminhão (N).

2.6 RESISTÊNCIA DE INÉRCIA E RESISTÊNCIA DO AR

A resistência de inércia surge toda vez que o veículo sofre variação de velocidade num

certo intervalo de tempo. Apresenta valor positivo quando ocorre aceleração e valor negativo

quando ocorre desaceleração e é calculado conforme equação (20) (RICARDO; CATALANI,

1977).

........................................................................................................... (Equação 20)

Onde:

Ri é a resistência de inércia (kg);

W é o peso do veículo (t);

g é a aceleração da gravidade (m/s²);

Δv é a variação da velocidade (km/h);

t é o tempo (s).

A resistência oferecida pelo ar é dada pela equação (21). O coeficiente de forma

apresentado depende do formato físico do veículo e possui valores entre 0,02 e 0,07

(RICARDO; CATALANI, 1977).

................................................................................................ (Equação 21)

Onde:

Rar é a resistência do ar (kg);

K’ é o coeficiente de forma, sensivelmente constante entre 0 e 150 km/h;

S é a área da seção normal à direção do movimento (m²);

v é a velocidade de deslocamento (km/h);

61

Como alguns veículos de obra têm velocidade máxima da ordem de 60 km/h, verifica-

se que a resistência do ar será, de modo geral, desprezível em face dos esforços tratores

disponíveis no eixo motriz (RICARDO; CATALANI, 1977). Neste caso, a resistência do ar

pode ser desprezada para o caso dos caminhões fora-de-estrada, uma vez que estes têm suas

velocidades limitadas a 40 ou 50 km/h, dependendo da mina.

2.7 MECÂNICA DO MOVIMENTO DE MÁQUINAS

De acordo com Ricardo e Catalani (1977), o movimento de um equipamento que se

desloca para frente em trajetória retilínea, sobre terreno plano, não necessariamente

horizontal, obedece à segunda Lei de Newton, e temos:

............................................................................................. (Equação 22)

Onde:

T é o esforço trator na roda motriz (N);

é a somatória das resistências opostas ao movimento (N);

M é a massa do equipamento;

g é a aceleração (m/s²).

Conforme a equação (22), três hipóteses podem ocorrer. Na primeira hipótese, tem-se

a aceleração positiva e, portanto, o aumento da velocidade. Na segunda hipótese, a aceleração

é nula e a velocidade será constante, além de atingir um valor máximo. Em outras palavras, o

movimento uniforme ocorre quando os esforços resistentes se igualam às forças motrizes,

como mostram as equações (23) e (24). Na terceira hipótese as forças resistentes superam as

forças motrizes e teremos a desaceleração ou frenagem do equipamento.

...................................................................................................... (Equação 23)

............................................................................................................. (Equação 24)

A partir dos conceitos apresentados sobre tração, aderência e forças de resistência ao

movimento (rolamento, inclinação da via, inércia e ar), pode-se dizer que haverá a locomoção

62

do equipamento, ou seja, o movimento de translação sobre o terreno, se o esforço de tração

(T) vencer as forças resistivas (∑Rom) e, simultaneamente, ser menor que à força de aderência

(Fa) (RICARDO; CATALANI, 1977).

Tabela 2.8 – Possíveis situações para locomoção do veículo.

Veículo estacionado

T > ∑ Rom o movimento se inicia

T < Fa

T = ∑ Rom o movimento não se inicia

T < Fa

T > ∑ Rom o movimento não se inicia

T ≥ Fa

Veículo em movimento

T > ∑ Rom movimento acelerado

T < Fa

T = ∑ Rom movimento uniforme

T < Fa

T > ∑ Rom as rodas patinam com o veículo em movimento

T ≥ Fa

T < ∑ Rom frenagem do veículo

T < Fa

T ≤ ∑ Rom veículo em movimento patina com as rodas frenadas

T > Fa Adaptado de Ricardo e Catalani (1977).

De acordo com a tabela 2.8, a locomoção não se inicia se não é satisfeita a relação Σ

Rom < T < Fa e a locomoção não se mantém se não é satisfeita a relação Σ Rom ≤ T ≤ Fa.

2.8 CARACTERIZAÇÃO DA RUGOSIDADE SUPERFICIAL DO REVESTIMENTO DE ESTRADAS DE MINA

No contexto da atual pesquisa, o termo caracterização deve ser entendido como um

processo de medição na qual são obtidos resultados quantitativos e qualitativos que fornecem

a magnitude de um parâmetro. Assim, a rugosidade da superfície das vias de transporte de

mina pode ser caracterizada utilizando metodologias que são empregadas no contexto de

estradas rodoviárias, onde os resultados são expressos através de índices normatizados que

atendem aos procedimentos nacionais requeridos pelo Departamento Nacional de

63

Infraestrutura de Transportes (DNIT) e protocolos internacionais de órgãos como o Banco

Mundial.

A necessidade de medir a rugosidade trouxe uma infinidade de instrumentos no

mercado, abrangendo desde aparelhos simples até sistemas complexos. São várias as

metodologias, técnicas e equipamentos para a mensuração deste parâmetro, que podem ser

consultadas em Fialho (2015). A revisão de literatura desta pesquisa tem foco na metodologia

classificada como mecanizada, que emprega a técnica de perfilagem a laser, executada por

veículos adaptados para o processo de medição, bem como as características e interpretação

dos dados que são gerados. O emprego desta tecnologia para medição da rugosidade em

estradas de mina pode ser encontrado em Thompson (1996), Hugo et al. (2008), Richardson e

McIver (2015), Coffey et al. (2018) e Kansake e Frimpong (2018).

2.8.1 Índice de Rugosidade Internacional - IRI

A rugosidade da superfície do revestimento de uma estrada, quando medida, é

representada pelo Índice de Rugosidade Internacional ou Índice de Irregularidade

Internacional (IRI). Desenvolvido e recomendado pelo Banco Mundial, é aplicado em

qualquer tipo de estrada para qualquer nível de rugosidade. É expresso em escalas de mm/m

ou m/km, quando aplicado um fator de multiplicação equivalente a 1000.

Segundo Rifai et al. (2015), o IRI é aceito internacionalmente como um indicador do

nível de manutenção de uma estrada, e pode ser continuamente calibrado para diferentes

regiões e horários. Além disso, possui valor mais próximo do real quando comparado a outros

parâmetros de desempenho do pavimento devido aos resultados objetivos da medição. O IRI é

calculado com base em um algoritmo de computador estabelecido e, portanto, não é subjetivo.

De acordo com a American Society for Testing and Materials (ASTM), órgão de

normalização pertencente aos Estados Unidos, o IRI é um índice computado a partir das

medições do perfil longitudinal em uma determinada trilha de roda usando uma simulação de

um quarto de veículo numa velocidade de percurso de 80 km/h em rodovias pavimentadas e

resume as qualidades de rugosidade que afetam a resposta do veículo.

Paterson (1987 apud FIALHO, 2015) define o IRI como sendo um conjunto de

desvios verticais da superfície em relação a um plano de referência. É comumente medido nas

trilhas de roda geradas pela passagem do veículo nas pistas. Além disso, é sintetizado

graficamente em um perfil longitudinal, que apresenta os registros de irregularidades ao longo

64

do deslocamento horizontal da estrada, tomados em intervalos constantes. Desta forma, o IRI

expressa uma relação entre o movimento acumulado da suspensão de um veículo, dividido

pela distância percorrida durante o levantamento. Valores de IRI para diversos tipos de pistas

e estado de manutenção se encontram na figura 2.12.

Historicamente, conforme publicação do Banco Mundial (1986), o IRI é assim

chamado porque foi um produto do Experimento Internacional da Rugosidade das Estradas

conduzido por equipes de pesquisa do Brasil, Inglaterra, França, Estados Unidos e Bélgica

com o propósito de identificar tal índice. O experimento foi realizado no Brasil em 1982 e

envolveu a mensuração monitorada da rugosidade de inúmeras estradas sob uma variedade de

condições e por uma diversidade de instrumentos e métodos. Os trechos selecionados se

dispuseram preferencialmente no Distrito Federal, Goiás e Minas Gerais e os resultados finais

foram apresentados em 1982.

De acordo com o Banco Mundial (1986), o IRI é apropriado mais especificamente,

quando a medida de rugosidade é relacionada a itens que incluem o custo operacional dos

veículos; a qualidade geral da via; as cargas dinâmicas das rodas (danos na estrada de

Figura 2.12 – Valores de IRI para diversos tipos de pistas e estado de manutenção (Bernucci et al., 2006

apud Echeverria, 2011).

65

caminhões pesados); os limites de segurança de frenagem e curvas para automóveis de

passageiros); e a condição geral da superfície.

Freitas et al. (2009) afirmam que o IRI é um índice amplamente usado e bem

estabelecido que foi desenvolvido de modo a ser linear, portátil e estável no tempo. A

característica “portátil” refere-se à possibilidade de ser medido por diversos equipamentos,

proporcionando os mesmos resultados. A característica “estável” resulta da definição

matemática do perfil longitudinal, a qual não é afetada pelo procedimento de medição nem

pelas características do veículo usado na medição do perfil.

2.8.2 Metodologia de cálculo do IRI

De acordo com a Strata (2018), no cálculo do IRI a medição do perfil é processada por

um modelo matemático que filtra e acumula os comprimentos de onda encontrados. Este

modelo foi desenvolvido e calibrado de forma a garantir que o resultado está intimamente

relacionado com a percepção dos usuários da via em relação à carga dinâmica dos pneus e seu

impacto sobre o controle e segurança do veículo. O cálculo é, portanto, associado a métodos

de perfilometria (estudo de perfis viários).

O cálculo imita o processamento físico e a filtragem de um veículo de medição para

produzir um valor de uma variável denominada Average Rectified Slope (ARS), que pode ser

traduzida como Inclinação Retificada Média. A avaliação do IRI simula o deslocamento de

uma roda (ou seja, um quarto do veículo) de um típico carro de passageiros. Devido a isso,

este modelo de cálculo é muitas vezes referido como o "modelo de um quarto de carro".

Uma vez que o cálculo emprega um algoritmo de computador para transformar o perfil

num valor de ARS, o cálculo do IRI tem várias vantagens em relação a uma medição do tipo

resposta. Uma das principais consiste no fato de que para o IRI o perfil da via permanece

naturalmente constante ao longo do tempo. Isto oferece uma distinta vantagem sobre a

medição tipo de resposta que é dependente do amortecimento e rigidez característicos do

veículo de medição, que são bastante variáveis de veículo para veículo. A figura 2.13

apresenta o princípio esquemático de medição do IRI.

66

Sayers et al. (1986a), cita outras formas de se calcular o IRI de um determinado perfil

que incluem o uso de um computador analógico e um perfil contínuo; a integração numérica

computacional; a correlação com outros índices e, por fim, o uso de uma matriz de transição

de estado. A maneira mais comum de cálculo faz uso do último método - a matriz de transição

de estado.

O cálculo por este método é realizado por meio de 4 variáveis que são função do perfil

medido. Tais variáveis simulam a resposta dinâmica do veículo de referência e seu tráfego

sobre o perfil. As equações das quatro variáveis são resolvidas para cada ponto do perfil, com

exceção do primeiro ponto. A inclinação média dos primeiros 11 m do perfil é usada para

iniciar as variáveis com os seguintes valores, de acordo com as equações (25), (26) e (27):

( – )

....................................................................................................... (Equação 25)

.................................................................................................................. (Equação 26)

............................................................................................................................ (Equação 27)

Onde:

Ya é a elevação do ponto a do perfil (mm);

Y1 é a elevação do primeiro ponto do perfil (mm);

dx é o intervalo entre os pontos do perfil (m).

z0

z1

z2

Figura 2.13 – Princípio de medição do IRI (Adaptado de Freitas et al., 2009).

67

O próximo passo inclui a solução das equações recursivas (28), (29), (30) e (31) para

cada ponto do perfil, partindo do segundo ponto até o último.

............................ (Equação 28)

............................... (Equação 29)

.............................. (Equação 30)

............................... (Equação 31)

Onde:

................................................................................................. (Equação 32)

....................................................... (Equação 33)

Os coeficientes Sij e Pj são fixos para um determinado intervalo dx. Tais coeficientes

estão disponíveis em Sayers et al. (1986b) na forma de matrizes para os espaçamentos mais

comuns e podem também ser calculados para outros espaçamentos. As equações (28), (29),

(30) e (31) devem ser resolvidas para cada posição do perfil. Depois de resolvida para um

determinado ponto do perfil, a equação (33) é usada para atualizar os valores de Z1’, Z2’, Z3’e

Z4’ para o próximo ponto do perfil. Ainda, para cada posição a inclinação retificada (RS) do

perfil filtrado é computada pela equação (34):

– ................................................................................................... (Equação 34)

O IRI, enfim, é a média da variável RS por todo o comprimento do trecho. Assim,

após a equação (34) ter sido resolvida para todos os pontos do perfil, o IRI é calculado pela

equação (35):

.................................................................................................. (Equação 35)

2.8.3 Equipamento e tecnologia para medição do IRI

Perfilômetro é o equipamento utilizado para a medição do IRI. Ele utiliza a tecnologia

de sensores laser para registrar as irregularidades existentes na via. É também conhecido

68

como um equipamento do tipo-resposta, pois seu sistema baseia-se na reação de um veículo a

que é acoplado (ECHEVERRIA, 2011). O perfilômetro laser é acoplado na parte frontal de

um veículo de transporte, como mostra em destaque amarelo na figura 2.14, e integra um

acelerômetro, usado na obtenção do movimento vertical do corpo do veículo, e um sensor tipo

laser, usado na medição do deslocamento entre o corpo do veículo e a superfície do

pavimento. Trata-se de um equipamento simples que mede, cumulativamente, durante suas

passagens na via, as mudanças do movimento de suspensão do veículo.

Figura 2.14 – Perfilógrafo longitudinal a laser (Strata Engenharia, 2018).

O sistema pode ser resumido em três elementos básicos e três dispositivos básicos:

ponto de referência, altura em relação ao ponto de referência e deslocamento longitudinal; e

sensor de aceleração vertical, sensor de deslocamento e sistema eletrônico para coletar e

processar os dados (software), respectivamente (BARELA, 2008 apud ANTT, 2017). O perfil

da estrada é obtido somando os desvios verticais do corpo do veículo com o deslocamento

veículo/pavimento. Outros equipamentos e tecnologias para medição do IRI podem ser

encontradas em Fialho (2015).

O perfilômetro a laser é instalado em um compartimento (destaque em amarelo na

Figura 2.14), no qual os sensores atuam projetando um raio (laser) sobre um ponto do

pavimento. Um receptor, situado na viga, mede a altura desse ponto sobre o pavimento,

conforme preconizado pela ASTM E 1845 ou ISO 13473, de acordo com APS (2006). Os

69

sensores coletam os dados a cada polegada percorrida e, ao final, cabe ao operador definir os

intervalos constantes para a geração dos resultados. Os intervalos são definidos de acordo

com a precisão que se quer obter, devido às características superficiais da estrada (por

exemplo a cada 10 m).

Barela (2008 apud ANTT, 2017) lista as características comuns dos perfilômetros,

como:

a) necessidade de movimento para realização as medições;

b) podem ser usados na velocidade da via, ou seja, podem passar despercebidos aos

demais usuários evitando riscos à segurança e problemas de fluidez;

c) não devem ser usados a velocidades muito baixas (o que depende da sensibilidade

dos acelerômetros usados);

d) não geram perfis exatamente iguais aos obtidos estaticamente (com nível e mira2

ou Dipstick3). Entretanto, a partir dos dados coletados é possível se calcular com

precisão índices relativos à condição superficial, tais como o IRI ou o Quociente

de Irregularidade4 (QI);

e) podem gerar resultados mais confiáveis que os obtidos estaticamente, pois a coleta

de dados é automatizada, o que elimina fontes de erros humanos.

2 Equipamento de medição da rugosidade nas trilhas de roda externa e interna a cada 0,50m. Trata-se de um

método trabalhoso e lento, uma vez que necessita de bloqueio de pista para sua utilização, originando altos

custos para a coleta dos dados no campo e no processamento das informações (LIXINSKI, 2017). 3 Método manual de medição da rugosidade de pequeno rendimento, também usado na calibração de trechos de

referência. Necessita que o operador caminhe ao longo da trilha de roda do pavimento, o que torna sua utilização

lenta e insegura (LIXINSKI, 2017). 4 Índice de rugosidade longitudinal oficial utilizado no Brasil, segundo a normalização do DNIT. Porém, alguns órgãos, agências e concessionárias utilizam os resultados em IRI obtidos por perfilômetros ou perfilógrafos laser

(ANTT, 2017).

70

3 MATERIAIS E MÉTODOS

Este capítulo detalha o estudo de caso realizado em duas minas de minério de ferro de

grande porte, que contempla desde a seleção das estradas e coleta de dados por meio da

perfilagem a laser e consulta a banco de dados de índices operacionais de transporte até o

processamento das informações através de critérios preestabelecidos, modelos matemáticos e

ferramentas estatísticas. São também apresentados os materiais e métodos utilizados no

desenvolvimento da pesquisa.

3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

A proposta de realização deste estudo de caso surgiu através da parceria entre a

Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) e o Instituto Tecnológico Vale (ITV) e faz parte

de um projeto que possui o intuito de otimizar a operação de transporte de minério e estéril

por caminhões fora-de-estrada considerando o máximo de parâmetros possíveis que permeiam

esta atividade, bem como os aspectos geométricos das vias.

Portanto, neste contexto, observou-se a necessidade de inserir, também, o caráter

funcional destas vias – acessos principais – no processo de modelagem para a otimização da

produtividade e custos de transporte. Tal caráter funcional diz respeito à condição de tráfego

que as estradas oferecem, traduzida pelas irregularidades ou rugosidades existentes em suas

superfícies.

Logo, o estudo de caso se resume à quantificação das rugosidades existentes nas

superfícies das estradas que compõem os acessos principais em duas minas de ferro de grande

porte através da medição por perfilagem a laser. A partir destes dados foi possível estimar a

resistência ao rolamento e, juntamente com resultados obtidos de resistência devido à

inclinação das vias, estimou-se a velocidade que os caminhões fora-de-estrada podem

desenvolver, bem como o tempo de viagem gasto para o transporte. Por fim, estimou-se a

produtividade e custo unitário da movimentação de material, conforme sintetizado na figura

3.1.

Assim, o principal produto da proposta deste trabalho de pesquisa é um conjunto de

dados estimados de parâmetros operacionais de transporte que se configura como subsídio

para a tomada de decisão acerca do dimensionamento de frota e gestão de manutenção das

estradas de mina, por meio do controle da rugosidade superficial das vias de tráfego.

71

Figura 3.1 – Proposta do trabalho de pesquisa.

3.2 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS

Os materiais e equipamentos utilizados na realização deste trabalho de pesquisa foram:

a) material bibliográfico digital (normas ABNT, artigos, revistas, livros, dissertações

e teses de doutorado) obtidos em meio eletrônico e material bibliográfico físico

(livros e apostilas) obtido nas bibliotecas da UFOP e do ITV, para construção do

embasamento teórico da pesquisa;

b) veículo perfilógrafo, da empresa Strata Engenharia, para execução da perfilagem a

laser e geração de resultados de rugosidade da superfície das estradas de mina;

c) câmera fotográfica para registro visual das estradas e do processo de execução da

perfilagem;

d) notebook com softwares instalados (pacote Microsoft Office®, Datamine®,

Minitab®, Grapher® e CorelDraw®) para o processamento de dados, análise de

resultados e redação da dissertação;

e) todas as atividades em campo foram organizadas previamente, orientadas pelos

técnicos das minas e realizadas seguindo as normas de segurança. Foram

fornecidos os equipamentos de proteção individual necessários, além de equipe de

apoio para acompanhamento da coleta de dados in loco.

72

3.3 UNIDADES AMOSTRAIS ESCOLHIDAS

O estudo de caso foi realizado em duas minas de ferro de grande porte localizadas na

região norte do país e na região do Quadrilátero Ferrífero, em Minas Gerais, e serão

identificadas, neste trabalho, como mina 1 e mina 2, respectivamente. Inicialmente, foram

estabelecidos contatos com as gerências de terraplenagem e infraestrutura de ambos os locais

para alinhamento dos objetivos e verificação da exequibilidade da metodologia proposta neste

trabalho. Com isso, foram selecionadas duas estradas da mina 1 e três estradas da mina 2, com

base na importância estratégica das mesmas devido ao grande fluxo de movimentação de

material.

As estradas da mina 1 representam acessos principais de transporte de minério (estrada

A) e estéril (estrada B) e foram construídas por corte – quando o dimensionamento e abertura

da estrada preserva a litologia local e o revestimento da via ocorre sobre a base litológica

original – e inserção de camada de revestimento. As características das estradas estão

dispostas na tabela 3.1.

Tabela 3.1 – Características das estradas da mina 1 selecionadas para o estudo de caso.

Mina 1 - Norte do Brasil

Estrada Comprimento Largura Origem Destino Revestimento

A 5,450 km 35 m Frente de

lavra Britador

Jaspelito e hematita (origem).

Máfica sã (percurso).

Hematita friável (destino).

B 4,070 km 35 m Frente de

lavra

Pilha de

estéril Hematita friável.

ITV (2018).

A estrada A, cujo traçado é apresentado na figura 3.2, se inicia em uma frente de lavra

com piso constituído por jaspelito e hematita e termina em uma praça de britagem com piso

revestido por hematita friável, conforme mostram as figuras 3.3 e 3.4, respectivamente. O

trecho que liga os dois pontos é revestido com material denominado máfica sã. Já a estrada B,

cujo traçado é apresentado na figura 3.5, é revestida por hematita friável, se inicia em uma

73

frente de lavra e termina em uma praça de descarga de estéril conforme mostram as figuras

3.6 e 3.7, respectivamente.

Figura 3.3 – Ponto de origem: praça de lavra de minério (ITV, 2018).

Figura 3.2 – Estrada A (ITV, 2018).

Material de revestimento

predominante no percurso:

Máfica sã


predominante:

Jaspelito e hematita

74

Figura 3.4 – Ponto de destino: praça de alimentação do britador (ITV, 2018).

Figura 3.5 – Estrada B (ITV, 2018).


predominante:

Hematita friável



Hematita friável

75


Figura 3.7 – Ponto de destino: praça de descarga de estéril (ITV, 2018).


predominante:

Hematita friável


predominante:

Hematita friável

76

As estradas da mina 2 representam acessos principais de transporte de minério

(estradas C e D) e estéril (estrada E). A estrada D é a única dentre as cinco estradas

selecionadas que foi dimensionada e construída obedecendo ao método construtivo

recomendado pelo Manual de Estradas de Mina5 da Vale (OLIVEIRA FILHO et al.,2010b),

com camadas estruturais que compõem um projeto de pavimento. Isso permitiu que os

resultados de irregularidades obtidos nesta via fossem comparados às demais com o intuito de

verificar a influência do método construtivo neste parâmetro, quando comparado às estradas

em corte e aterro. As características das estradas estão dispostas na tabela 3.2.

Tabela 3.2 – Características das estradas da mina 2 selecionadas para o estudo de caso.

Mina 2 - Quadrilátero Ferrífero em Minas Gerais

Estrada Comprimento Largura Origem Destino Revestimento

C 4,990 km

30 m Frente de

lavra Britador Itabirito compacto.

D 6,960 km 43 m Frente de

lavra Britador

Hematita/itabirito (origem).

Itabirito compacto (percurso

e destino).

E 4,120 km 30 m Frente de

lavra

Pilha de

estéril

Quartzito (origem e

percurso). Aterro (destino).

ITV (2018).

A figura 3.8 apresenta o traçado da estrada C revestida por itabirito compacto, que se

inicia em uma frente de lavra e termina em uma praça de britagem conforme mostram as

figuras 3.9 e 3.10, respectivamente. O traçado da estrada D é apresentado na figura 3.11 e se

inicia em uma frente de lavra cujo piso é constituído por hematita e itabirito, e termina em

uma praça de britagem com piso revestido por itabirito compacto conforme mostram as

figuras 3.12 e 3.13, respectivamente. O trecho que liga os dois pontos é revestido com 40 cm

de material fino (itabirito compacto) para capeamento da pista de rolamento e possui camada

de base com 5 m de espessura composta por itabiritos com maior presença de granulados. A

5 Manual que apresenta um conjunto padronizado de procedimentos de Gestão de Estradas de Mina, que inclui parâmetros e ferramentas técnicas voltados ao projeto, construção e manutenção dos acessos para transporte de

materiais entre bancadas, frentes de lavra e a pilhas de disposição de estéril, dentre outros.

77

estrada E, cujo traçado é apresentado na figura 3.14, se inicia em uma frente de lavra com

piso constituído por quartzito e termina em uma praça de descarga de estéril com piso em

aterro, conforme mostram as figuras 3.15 e 3.16, respectivamente. O trecho que liga os dois

pontos foi construído em corte, preservando o material in situ (quartzito).

Figura 3.8 – Estrada C (ITV, 2018).




Itabirito compacto


predominante:

Itabirito compacto

78


Figura 3.11 – Estrada D (ITV, 2018).


predominante:

Itabirito compacto



Itabirito compacto

79




predominante:

Hematita e itabirito


predominante:

Itabirito compacto

80

Figura 3.14 – Estrada E (ITV, 2018).




Quartzito


predominante:

Quartzito

81

Figura 3.16 – Ponto de destino: praça de descarga de estéril (ITV, 2018).

3.4 BASE DE DADOS DE TRANSPORTE

As equipes de terraplenagem e infraestrutura das minas contribuíram, ao longo de todo

período, com o fornecimento de informações necessárias sobre a atividade de transporte,

como, por exemplo, bancos de dados de parâmetros operacionais de transporte.

Desta forma, realizou-se uma análise estatística descritiva da carga média, tempos

fixos (manobra, carregamento, descarregamento e espera), velocidades e produtividade dos

caminhões fora-de-estrada das minas 1 e 2, com o intuito de obter valores representativos

destes parâmetros para estimação da resistência ao rolamento, produtividade e custos, e

também compreender o contexto operacional ao qual a atividade de transporte está inserido.

Os caminhões fora-de-estrada utilizados nas minas variam desde os modelos

Caterpillar 777G, 789C, 793D e 797F, com capacidades de 90 t, 180 t, 240 t e 400 t,

respectivamente, a modelos Komatsu 830E, com capacidade de 240 t. Neste trabalho de

pesquisa são considerados somente os caminhões fora-de-estrada Caterpillar 793D, com

capacidade de 240 toneladas (Figura 3.17), pelo fato de representarem a maior parte da frota


predominante:

Aterro

82

de caminhões utilizados nas minas. Portanto, ressalta-se que os resultados obtidos neste

estudo se restringem aos caminhões deste porte, uma vez que a carga de material transportada

por estes veículos influencia diretamente os parâmetros operacionais já mencionados.

Figura 3.17 – Caminhão fora-de-estrada modelo Caterpillar 793D considerado para o estudo dos parâmetros

operacionais de transporte (ITV, 2018).

Os dados de transporte da mina 1 correspondem ao período compreendido entre julho

de 2017 e março de 2018 e os dados de transporte da mina 2 correspondem aos anos de 2015,

2016, 2017 e primeiro quadrimestre de 2018, totalizando um período de três anos e quatro

meses. Estes dados foram gerenciados no software Microsoft Access 2016® e processados

nos softwares Excel 2016® e Minitab 17®. Inicialmente foram identificados e retirados os

outliers por inspeção visual e por inspeção aos boxplots gerados. Em seguida, obtiveram-se os

parâmetros estatísticos descritivos como mínimo, máximo, média, mediana, desvio-padrão e

coeficiente de variação.

De acordo com Spiegel (1972) e a partir do Teorema Central do Limite, a distribuição

da média dos dados converge para a distribuição normal conforme o tamanho da amostra

83

aumenta, mesmo quando a distribuição da população de eventos não segue uma distribuição

normal. Isso se torna válido para base de dados com grandes quantidades de unidades

amostrais, como é o caso da base de dados das minas 1 e 2. Os parâmetros estatísticos obtidos

pertencem ao intervalo de confiança de 95%. A tabela 3.3 apresenta o resultado da análise

estatística dos dados operacionais de transporte das minas em estudo.

Tabela 3.3 – Base de dados consolidada referente à atividade de transporte nas minas 1 e 2.

Parâmetro Mina 1 - Caminhão CAT-793D

Mínimo Máximo Média Mediana

Desvio

padrão

Coeficiente

de

variação

(%)

Carga média (t) 205,78 276,24 240,90 241,16 13,15 5,46

Tempo de manobra (min) 0,20 3,03 1,42 1,38 0,61 42,96

Tempo de carregamento (min) 1,00 5,06 2,54 2,44 0,92 36,22

Tempo de descarregamento (min) 0,20 2,00 1,37 1,50 0,65 47,45

Tempo de espera (min) 0,00 14,16 4,74 3,98 3,41 71,94

Tempo fixo total (min) 1,82 21,01 10,25 9,30 3,86 37,66

Velocidade ida (min) 6,10 27,08 16,59 16,87 3,86 23,27

Velocidade volta (min) 8,17 39,74 23,86 25,34 5,75 24,10

Velocidade média (min) 9,20 29,91 19,54 20,24 3,84 19,65

Produtividade (t/h) 60,34 732,96 402,48 414,81 135,59 33,69

Fator de eficiência da operação 0,70

Mina 2 - Caminhão CAT-793D

Carga média (t) 225,77 264,22 245,26 245,45 7,00 2,85

Tempo de manobra (min) 0,20 2,20 1,02 0,99 0,40 39,22

Tempo de carregamento (min) 1,03 6,26 3,55 3,41 0,96 27,04

Tempo de descarregamento (min) 0,08 1,94 1,05 1,04 0,42 40,00

Tempo de espera (min) 0,00 7,14 1,74 1,40 1,68 96,55

Tempo fixo total (min) 1,31 17,54 7,36 6,84 3,46 47,01

Velocidade ida (min) 13,36 26,51 20,64 20,58 2,92 14,15

Velocidade volta (min) 11,81 43,25 27,53 29,50 6,17 22,41

Velocidade média (min) 13,43 29,68 22,60 22,99 3,39 15,00

Produtividade (t/h) 143,67 414,35 263,48 374,41 57,53 21,83

Fator de eficiência da operação 0,70 ITV (2018).

84

3.5 ETAPAS E MÉTODOS EMPREGADOS

As etapas estabelecidas para o desenvolvimento do estudo de caso são sintetizadas no

sequenciamento esquemático da figura 3.18. A partir da seleção de uma estrada de mina,

executou-se a perfilagem a laser para medição da rugosidade de sua superfície. Os resultados

obtidos permitiram classificar a condição da via como péssima, mau, regular, boa e excelente

e estimar a resistência ao rolamento através de um modelo matemático pré-estabelecido. A

resistência ao rolamento, somada à resistência devido a inclinação da via, permitiram estimar

a velocidade máxima que o caminhão é capaz de desenvolver em cada trecho da estrada.

Ponderou-se a velocidade pelo comprimento de cada trecho para obtenção da velocidade

média e, com isso, estimar o tempo de viagem do caminhão fora-de-estrada. Finalmente, o

tempo de viagem somado aos dados consolidados de transporte conforme tabela 3.3,

possibilitou estimar a produtividade e custo unitário de transporte para as duas minas em

estudo.

Figura 3.18 – Etapas e sequenciamento da pesquisa.

Estimação da velocidade

do caminhão fora-de-

estrada

Estimação da

produtividade e custo

unitário de transporte

Rugosidade qualitativa

(condição da estrada)

Rugosidade quantitativa

(IRI)

Estimação da resistência

ao rolamento

Seleção de uma estrada

de mina

Perfilagem a laser via

perfilógrafo

Estimação da resistência

devido à inclinação da

via

85

Para este estudo são consideradas somente as forças resistivas de rolamento e

inclinação da via, tendo em vista que a magnitude da força de resistência do ar é desprezível.

A resistência inercial será considerada através do fator de redução da velocidade máxima

teórica que o caminhão fora-de-estrada pode desenvolver em cada trecho das estradas. É

considerado também que o esforço trator não supera a força de aderência, o que contribui para

o deslizamento da roda do veículo. Para cada etapa foram propostas metodologias para sua

execução e são abordadas nos subitens a seguir.

3.5.1 Perfilagem a laser e caracterização da rugosidade em estradas de mina

Realizou-se a medição da rugosidade da superfície das estradas das minas 1 e 2 através

do veículo perfilógrafo a laser para obtenção dos valores do IRI e da condição funcional da

via. Uma empresa (Strata Engenharia) especializada neste tipo de atividade foi contratada

para a realização das medições e pós-processamento dos dados.

A metodologia de perfilagem foi elaborada com base no caminhão mais representativo

que opera nas vias, Caterpillar 793D, de 240 t. Verificou-se suas dimensões em relação a

plataforma existente, conforme indicado na Figura 3.19.

Figura 3.19 – Plataforma existente e dimensões do caminhão CAT793D (ITV, 2018).

Observou-se que as rodas que compõem o eixo traseiro deixavam seus vestígios

(trilhas) bem identificados ao longo do trecho nas posições que foram aqui denominadas

como "trilhas de roda interna e externa” para cada faixa de tráfego (lado direito e esquerdo);

86

com exceção das áreas de interseção que, muitas vezes, são realizados por inúmeros veículos

operando em sentidos distintos.

Desta forma, para se efetuar o levantamento da irregularidade através do IRI, buscou-

se posicionar as unidades laser do equipamento no centro de aplicação de carga das rodas

gêmeas posicionadas nas trilhas de roda externa e interna de cada faixa de tráfego. Foi

necessário então, a realização de dois levantamentos (um localizado na trilha de roda externa

e outro localizado na trilha de roda interna) por faixa de tráfego, conforme ilustrado nas

figuras 3.20 e 3.21.

Figura 3.20 – Posicionamento das unidades laser em relação ao centro de aplicação de carga das rodas gêmeas

traseiras por trilha de roda e faixa de tráfego (ITV, 2018).

Lado Esquerdo

Trilha de Roda Externa

Centro da Roda mais externa - L4

Centro da Roda mais interna - L3

Trilha de Roda Interna



Lado Direito

Trilha de Roda Interna



Trilha de Roda Externa



87

Figura 3.21 – Plataforma existente, dimensões do caminhão CAT793D e posicionamento do equipamento de

levantamento da Irregularidade Longitudinal (ITV, 2018).

O levantamento da irregularidade longitudinal (IRI) foi desenvolvido conforme

procedimento preconizado pela classificação do Manual “Highway Performance Monitoring

System - HPMS Field Manual - HPMS Field Manual - 2016” para a Classe II (laser). Para

cada levantamento, posicionou-se as unidades lasers de forma a coincidir com a posição do

centro de aplicação de carga das rodas gêmeas traseiras em intervalos de resultado a cada 10

metros.

Os dados de IRI levantados foram classificados como excelente, bom, regular, mau e

péssimo de acordo com parâmetros definidos pela Strata Engenharia. Para subsidiar a

determinação dessas referências foi feita uma avaliação comparativa entre os dados de IRI

coletados e as características do pavimento no trecho correspondente, observada através de

registros visuais.

Além disso, foi considerada como base de referência as escalas do IRI definidas pelo

Banco Mundial e pela ASTM para pavimentos primários, como mostram as Figuras 3.22 e

3.23, respectivamente.

88

Figura 3.22 – Escala do IRI para diferentes tipos de pavimento (ITV, 2018).

89

Rugosidade (mm/m IRI)

0 Superfície recentemente laminada de cascalho fino, ou superfície do solo com excelente perfil

longitudinal e transversal (geralmente encontrado apenas em comprimento curto).

2

Passeio confortável até 80-100 km/h, ciente de ondulação suave ou balançando. Depressões

insignificantes (por exemplo, <5 mm/3m) e ausência de buracos.

4

6

Passeio confortável até 70-80 km/h, ciente de movimentos bruscos e alguns saltos de roda.

Frequente depressões ou buracos rasos (por exemplo, 6-30mm/3m com frequencia 5-10 por

50m). Corrugações moderadas (por exemplo, 6-20 mm /7-1,7m).

8

10

Passeio confortável a 50 km/h (ou 40-70 km/h em seções específicas). Depressões transversais

moderadas frequentes (por exemplo, 20-40 mm/3-5m) ou ocasionais depressões ou buracos

profundos (por exemplo, 40-80 mm/3m com frequência inferior a 5 por 50 m). Corrugações

fortes (por exemplo, 20mm/0,7-1,5 m.)

12

14

Passeio confortável a 30-40 km/h. Depressões transversais profundas frequentes e/ou buracos

(por exemplo, 40-80 mm na frequência 5-10 por 50 m); ou depressões ocasionais muito

profundas (por exemplo, 80mm/1-5m com frequência inferior a 5 por 50m) com outras

depressões pouco profundas. Não é possível evitar todas as depressões, exceto as piores.

16

18

Passeio confortável a 20-30 km/h. Velocidades superiores a 40-50 km/h causariam extremo desconforto e possíveis danos ao veículo. Em geral, um bom perfil; depressões profundas e/ou

buracos frequentes (por exemplo 40-80 mm/1-5 na frequência 10-15 por 50m) e depressões

ocasionais muito rofundas (por exemplo > 80mm/0,6-2m). Em geral, um perfil pobre; defeitos

moderados frequentes e depressões (por exemplo, superfície de terra pobre).

20

22

24

Figura 3.23 – Escala do IRI para pavimentos primários (ITV, 2018).

Considerando a natureza mutável das estradas de pavimento primário e, em especial,

das estradas de mina atentou-se para o fato de que a umidade do solo neste tipo de pavimento

é de extrema relevância para análise do levantamento da irregularidade longitudinal.

Observa-se que os valores de IRI para solos úmidos são comparativamente maiores

que os observados em solo seco (CALLAO, 2004 apud STRATA, 2018), conforme tabela

3.4. Essa diferença deve-se em parte ao fato de que as marcas de pneu impressas na superfície

do pavimento são mais evidentes em solo úmido elevando assim os valores de IRI medidos.

90

Tabela 3.4 – Valores de IRI em condições secas e úmidas.

Nível de Qualidade da Via

Qualidade da Via

Rugosidade

Estação Seca Estação Úmida

Acesso precário não pavimentado NA NA

Não pavimentado péssimo 22 25

Não pavimentado mau 17 25

Não pavimentado regular 13 22

Não pavimentado bom 10 10

Não pavimentado excelente 7 7

Pavimentado péssimo 12 12

Pavimentado mau 8 8

Pavimentado regular 4 4

Pavimentado bom 3 3

Pavimentado excelente 2 2

NA = Não se aplica

ITV (2018).

Levando em consideração as referências acima citadas e os valores obtidos nos

levantamentos juntamente com a acurácia visual das condições do pavimento levantado,

adotou-se, inicialmente para fins da primeira análise realizada, o seguinte critério para

classificação do IRI, como mostra a tabela 3.5.

Tabela 3.5 – Critério adotado para classificação da condição funcional da via.

Critério Intervalos (mm/m)

Excelente 0 - 3,5

Bom 3,5 - 12,0

Regular 12,0 - 20,0

Mau 20,0 - 26,0

Péssimo > 26,0 ITV (2018).

O resultado quantitativo de rugosidade foi obtido através da aplicação das equações da

seção que trata da metodologia de cálculo do IRI (2.4.2). A figura 38 apresenta um exemplo

do relatório gerado no pós-processamento dos dados, no qual se tem valores de IRI para cada

lado da via, nas trilhas de roda interna e externa e em cada sensor.

91

Figura 3.24 – Amostra do relatório da rugosidade medida na estrada A da mina 1 (ITV, 2018).

A rugosidade média foi calculada através da média aritmética dos valores máximos de

rugosidade obtidos em uma seção transversal da via, como ilustra a figura 3.25, em uma

situação hipotética. Replicou-se o cálculo para cada seção transversal espaçadas em 10 m.

Desta forma gerou-se o perfil longitudinal de cada estrada, com a rugosidade média a cada 10

m.

Figura 3.25 – Exemplo esquemático de cálculo do IRI médio em uma seção transversal da via.

PROJETO: VIAS DE TRANSPORTE DA MINA 1 PISTA: SIMPLES

N° TRECHO: A LADO: DIREITO/ESQUERDO

EXTENSÃO: 5,450 km DATA DE LEVANTAMENTO:

Início Final L4 L3 IRI Máx. Conceito L2 L1 IRI Máx. Conceito L1 L2 IRI Máx. Conceito L3 L4 IRI Máx. Conceito

0,000 0,010 11,48 8,52 11,48 BOM 8,35 9,97 9,97 BOM 9,87 11,82 11,82 BOM 14,94 12,28 14,94 REGULAR

0,010 0,020 7,50 6,17 7,50 BOM 5,09 8,26 8,26 BOM 21,24 25,29 25,29 MAU 12,19 16,54 16,54 REGULAR

0,020 0,030 8,14 15,43 15,43 REGULAR 4,86 10,42 10,42 BOM 7,06 10,87 10,87 BOM 9,03 7,44 9,03 BOM

0,030 0,040 5,83 8,07 8,07 BOM 8,54 8,97 8,97 BOM 8,03 9,24 9,24 BOM 8,07 10,10 10,10 BOM

0,040 0,050 26,94 12,09 26,94 PÉSSIMO 9,35 6,04 9,35 BOM 8,50 14,15 14,15 REGULAR 9,54 12,00 12,00 REGULAR


0,060 0,070 6,82 4,33 6,82 BOM 6,65 7,11 7,11 BOM 8,17 6,81 8,17 BOM 21,24 11,63 21,24 MAU


0,080 0,090 6,68 10,59 10,59 BOM 5,43 4,88 5,43 BOM 12,79 10,45 12,79 REGULAR 10,77 12,10 12,10 REGULAR

0,090 0,100 5,57 5,48 5,57 BOM 8,15 8,98 8,98 BOM 19,64 25,88 25,88 MAU 13,10 13,69 13,69 REGULAR

09/11/2018

DISTÂNCIA

(km)

LADO ESQUERDO LADO DIREITO

TRILHA DE RODA EXTERNA TRILHA DE RODA INTERNA TRILHA DE RODA INTERNA TRILHA DE RODA EXTERNA

IRREGULARIDADE LONGITUDINAL - IRI

92

3.5.2 Estimação da resistência ao rolamento

Para estimação da resistência ao rolamento a que os caminhões fora-de-estrada são

submetidos utilizou-se o modelo matemático HDM-4, o qual é composto pelas equações (11)

a (17) e auxiliado pelas tabelas (2.5) a (2.7), como apresentado na seção 2.4.1. A partir destes

resultados, utilizou-se a equação (6) para determinação do coeficiente de resistência ao

rolamento. A base de dados utilizada na aplicação do modelo foi elaborada através de valores

medidos em campo e valores encontrados na literatura, conforme disposto na tabela 3.6.

Tabela 3.6 – Base de dados utilizada no modelo HDM-4 para estimação da resistência ao rolamento.

Variáveis Descrição Valor Referência

IRI Rugosidade (mm/m)

Varia para cada

seção de 10m da

estrada

Medido

Dw Diâmetro do pneu (m) 3,516 Michelin, 2017.

Nw Quantidade de pneus 6 Caterpillar,

2010.

a0

Coeficientes do modelo

(Tabela 2.7)

0,80 Zaabar (2010

apud

Coffey et al.,

2015).

a1 0,00

a2 0,10

a3 0,00

Tdsp Profundidade da textura (mm) - Não foi possível

medir em

campo. DEF Deflexão do pavimento (mm) -

PCTDS Porcentagem de viagens em

condição climática de neve (%) 0,00

Desconsiderado,

pois não há

neve na região.

PCTDW Porcentagem de viagens em

condição climática de chuva (%) 20,00 Medido.

CR1 Fator de resistência ao rolamento do

pneu (Tabela 2.5) 1,30

Chatti e Zaabar,

2012.

M Massa do caminhão (kg) 165749,00 e

383749,00

Caterpillar,

2010.

v Velocidade do caminhão (m/s) 6,00 Medido

Kcr2 Fator de calibração 1,8567 Estimado via

regressão.

Não foi possível realizar a medição da profundidade da textura e deflexão da via.

Valores médios de textura e deflexão equivalentes a 17 mm e 2,5 mm, respectivamente, são

93

encontrados em Coffey et al. (2015) para o modelo de caminhão semelhante ao 793D

considerado nesta pesquisa e para condições de estrada também semelhantes.

Considerou-se a velocidade média dos caminhões fora-de-estrada em 6,0 m/s (21,60

km/h) para ambas as minas, uma vez que o modelo HDM-4 é pouco sensível à sua variação.

Em outras palavras, verificou-se variação mínima de resultados de resistência ao rolamento

quando se alterou a velocidade.

O modelo HDM-4 possui um fator de calibração (Kcr2) que o permite ser adaptado

para condições específicas. No caso em questão, para se considerar a realidade de uma mina,

o modelo foi calibrado para veículos do porte de caminhões fora-de-estrada. Metodologias de

calibração podem ser encontradas em Chatti e Zaabar (2012), sendo uma delas, a medição do

real do consumo de combustível, comparação aos valores obtidos de consumo de combustível

estimados pelo modelo completo existente na plataforma do software HDM-4 e posterior

ajuste.

Devido à dificuldade em obtenção de valores medidos de consumo de combustível e

de outros parâmetros operacionais de transporte por caminhões fora-de-estrada, optou-se por

aplicar a técnica estatística de regressão (Figura 3.26) em um conjunto de dados de massas de

veículos e seus respectivos valores Kcr2 já conhecidos (Tabela 2.6, seção 2.4.1). Desta forma,

obteve-se o modelo matemático de calibração em função do porte do veículo com coeficiente

de determinação equivalente a 0,8. Por meio de extrapolação, obteve-se um valor de Kcr2

para o caminhão fora-de-estrada 793D equivalente a 1,8567.

Figura 3.26 – Modelo de estimação do fator de calibração obtido via regressão estatística.

0,5

0,58

0,67

0,99 1,1

y = 0,2805ln(x) + 0,4232

R² = 0,8042

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Kcr2

Massa do veículo (t)

94

3.5.3 Estimação da resistência devido à inclinação da via

Através das coordenadas x, y e z dos pontos pertencentes ao traçado das estradas nas

quais foram realizadas a perfilagem a laser, caracterizou-se os trechos que compõem estes

acessos quanto à:

a) comprimento, em metros;

b) inclinação, em porcentagem;

c) coeficiente de resistência à inclinação, em porcentagem.

Para determinação e classificação dos trechos foram realizadas inspeção visual do

gráfico do perfil da estrada e análise dos valores de inclinação previamente calculados

mediante a equação (18) (seção 2.5), obtendo-se, desta forma, segmentos em aclive, declive e

horizontal. Considerou-se como trecho horizontal segmentos com inclinação entre 0 e 2%. A

figura 3.27 exemplifica o método através do desenho de perfil da estrada A, pertencente à

mina 1, com a subdivisão em 18 trechos nomeados de A à R.

Figura 3.27 – Estrada A subdivida em trechos em função da variabilidade da inclinação da via.

95

3.5.4 Estimação da velocidade máxima e tempo de viagem

A velocidade máxima que o caminhão pode desenvolver em cada trecho da via e o

tempo de viagem total foram calculados de acordo com a seguinte sistemática (Figura 3.28):

1) decomposição da estrada em trechos, dos quais sejam conhecidos os comprimentos

e inclinação, conforme proposto na seção etapa anterior (3.5.3);

2) determinação da soma das resistências em cada trecho (inclinação e rolamento);

3) determinação da velocidade máxima em cada trecho;

4) determinação do tempo gasto no percurso de cada trecho, através da relação do seu

comprimento e velocidade máxima do caminhão.

Figura 3.28 – Representação esquemática da caracterização dos trechos das estradas.

A figura 3.28 exemplifica a caracterização de uma estrada através da subdivisão em

trechos, com seus respectivos valores hipotéticos de comprimento (L), coeficiente de

resistência devido à inclinação da via (fθ) e coeficiente de resistência ao rolamento (CRR). De

acordo com o trajeto indicado na figura, os trechos AB e CD são horizontais (θ = 0°) em

ambos os sentidos (ida e retorno) e o trecho BC é aclive na ida e declive no retorno.

Como mencionado na seção 2.7, para que haja movimento o caminhão fora-de-estrada

deve desenvolver um esforço de tração que supere as forças resistivas e que seja menor que a

força de aderência, simultaneamente. Desta forma, a equação (3) (seção 2.1.1) pode ser

reescrita como mostra a equação (35).

CRR = 2%

CRR = 3%

96

......................................................................................................... (Equação 35)

Onde:

Vmax é a velocidade máxima (km/h);

Pot é a potência do motor (hp);

Et é o coeficiente relativo à eficiência da transmissão;

W é a massa do caminhão (kg);


fθ é o coeficiente de resistência devido à inclinação da via.

Ao aplicar a equação (35), a velocidade máxima teórica possível em cada trecho foi

estimada considerando as forças de resistência ao movimento. A base de dados utilizada na

estimação se encontra na tabela 3.7, e os coeficientes de resistência ao rolamento e à

inclinação correspondem aos resultados encontrados nas etapas anteriores.

Tabela 3.7 – Base dados para estimação da velocidade máxima.

Variável Unidade Valor

Massa do caminhão carregado kg 383749,00

Massa do caminhão vazio kg 165749,00

Potência do motor hp 2415,00

Eficiência da transmissão 0,70 ITV (2018).

Vale ressaltar que as velocidades de 40 km/h e 50 km/h correspondem aos limites de

velocidade estabelecidos pelas gerências das minas 1 e 2, respectivamente, devido a fatores de

segurança, geometria das vias, produtividade, entre outros. Quando a velocidade máxima

estimada em determinado trecho exceder a velocidade limite da respectiva mina, esta última

será adotada como resultado final.

De acordo com os resultados da análise estatística dos parâmetros operacionais de

transporte (item 3.4), as velocidades máximas desenvolvidas pelo caminhão fora-de-estrada

793D nas minas 1 e 2 equivalem a 28,25 km/h e 28,68 km/h na ida e 40,00 km/h e 43,82 km/h

no retorno, respectivamente (Figura 3.29), o que demonstra que os caminhões fora-de-estrada

trafegam em correspondência aos limites de velocidades estabelecidos.

97

Figura 3.29 – Variabilidade da velocidade média dos caminhões fora-de-estrada 793D das minas 1 e 2.

As variações de velocidade no caminhão implicam o aparecimento de forças inerciais

resistentes, como a aceleração e frenagem. Esta situação geralmente ocorre no começo de

cada trecho, no qual o caminhão poderá ter ou não velocidade inicial, e na passagem de um

trecho a outro, no qual poderá haver mudança de marcha com aumento ou diminuição da

velocidade (RICARDO; CATALANI, 1977).

Dois fatores influenciam o alcance da velocidade máxima: a velocidade inicial que o

caminhão possui no começo do trecho e o comprimento total desse trecho. Partindo do

repouso até atingir a velocidade de regime (máxima), o caminhão tem de se acelerar, surgindo

as resistências de inércia, vencidas através da utilização do esforço trator fornecido pelas

marchas adequadas. Haverá, assim, um tempo de aceleração que irá depender, evidentemente,

da velocidade inicial (RICARDO; CATALANI, 1977).

Deve-se considerar que, se o trecho a ser percorrido possuir comprimento muito

reduzido, não haverá tempo suficiente para acelerar o caminhão até atingir a velocidade de

regime. À medida que os comprimentos aumentam, a sua influência sobre a velocidade a ser

atingida evidentemente diminui. Pode-se, então, admitir um fator de redução da velocidade

máxima, reduzindo-a a média no trecho que irá depender da velocidade inicial e do

comprimento, conforme equação (36) e tabela 3.8. Esse fator dependerá, também, da relação

Mina 2 - RetornoMina 2 - IdaMina 1 - RetornoMina 1 - Ida

47,5

45,0

42,5

40,0

37,5

35,0

32,5

30,0

27,5

25,0

22,5

20,0

17,5

15,0

12,5

10,0

7,5

5,0

2,5

0,0

Velo

cid

ade (

km

/h)

16,87

25,32

20,58

29,50

Média: 16,92 Média: 24,87 Média: 20,04 Média: 29,05

28,25

40,00

28,68

43,82

98

peso/potência do caminhão, já que as resistências inerciais dependem diretamente do seu peso

total, de acordo com a equação (37) (RICARDO; CATALANI, 1977).

............. (Equação 36)

................................................................................................... (Equação 37)

Onde:

r é a relação peso/potência.

Tabela 3.8 – Fator de redução da velocidade máxima à velocidade média.

r < 136 kg/hp

Comprimento do trecho (m)

Trecho

horizontal

Velocidade

inicial nula

Unidade em movimento quando entra no

trecho

Horizontal Declive Aclive

0 - 60 0 - 0,40 0,65 0,67 1,00

(velocidade

inicial maior

do que a

velocidade

máxima

calculada para

o trecho)

60 - 120 0,40 - 0,51 0,65 - 0,70 0,67 - 0,72

120 - 180 0,51 - 0,56 0,70 - 0,75 0,72 - 0,77

180 - 300 0,56 - 0,67 0,75 - 0,81 0,77 - 0,83

300 - 450 0,67 - 0,75 0,81 - 0,88 0,83 - 0,90

450 - 600 0,75 - 0,80 0,88 - 0,91 0,90 - 0,93

600 - 750 0,80 - 0,84 0,91 - 0,93 0,93 - 0,95

750 - 1050 0,84 - 0,87 0,93 - 0,95 0,95 - 0,95

> 1050 0,87 - 0,94 0,95 0,97

136 kg/hp < r < 172 kg/hp

Comprimento do trecho (m)

Trecho

horizontal

Velocidade

inicial nula

Unidade em movimento quando entra no

trecho

Horizontal Declive Aclive

0 - 60 0 - 0,39 0 - 0,62 0,64 1,00

(velocidade

inicial maior

do que a

velocidade

máxima

calculada para

o trecho)

60 - 120 0,39 - 0,48 0,62 - 0,67 0,64 - 0,68

120 - 180 0,48 - 0,54 0,67 - 0,70 0,68 - 0,74

180 - 300 0,54 - 0,61 0,70 - 0,75 0,74 - 0,83

300 - 450 0,61 - 0,68 0,75 - 0,79 0,83 - 0,88

450 - 600 0,68 - 0,74 0,79 - 0,84 0,88 - 0,91

600 - 750 0,74 - 0,78 0,84 - 0,87 0,91 - 0,93

750 - 1050 0,78 - 0,84 0,87 - 0,90 0,93 - 0,95

> 1050 0,84 - 0,92 0,90 - 0,93 0,95 - 0,97 Adaptado de Ricardo e Catalani (1977).

99

As relações peso/potência para o caminhão fora-de-estrada 793D utilizadas para

determinação dos fatores de redução de velocidade a serem empregados na estimação,

equivalem à 158,90 e 68,63 para as condições de viagem carregado e vazio, respectivamente.

Segundo Ricardo e Catalani (1977), há certos fatores negativos ou obstruções no trajeto que

podem diminuir substancialmente a velocidade, diminuindo paralelamente o fator de redução:

curvas fechadas, má visibilidade, estreitamento da pista, congestionamento de muitas

unidades, resistência ao rolamento variável, pistas muito úmidas, grandes trechos em declives

pronunciados etc. Esses fatores não são considerados neste estudo.

Por fim, a velocidade média de ida (caminhão carregado) e retorno (caminhão vazio)

em cada estrada foi calculada por meio da média ponderada entre as velocidades médias nos

trechos e o comprimento de cada trecho. Os tempos de viagem de ida e retorno foram obtidos

para cada trecho através da relação entre o comprimento destes trechos e as velocidades

estimadas, conforme equação (2) (seção 2.1.1). O tempo de viagem total foi obtido através da

soma dos tempos de viagem de ida e retorno em cada trecho.

3.5.5 Estimação da produtividade e custo unitário de transporte

Os tempos de viagem obtidos, juntamente com os dados de carga média e tempos

fixos apresentados na tabela 3.3 (seção 3.4) foram utilizados para estimar a produtividade dos

caminhões em cada estrada, mediante a equação (1) (seção 2.1.1). Considerou-se o fator de

eficiência da operação igual a 0,70.

Não foi possível estimar o custo unitário de transporte da mina 1, localizada no norte

do Brasil, devido à indisponibilidade de dados. Porém, sabe-se que este custo é menor que o

apresentado na mina 2. Neste caso, a pesquisa não foi afetada negativamente, pois os dados da

mina 1 são suficientes para avaliação deste parâmetro. Uma vez que o intuito é verificar o

comportamento do custo unitário de transporte quando ocorre variação da rugosidade da via,

pôde-se, então, considerar intervalos ou incrementos de custo sem prejuízo da qualidade dos

resultados.

Para estimação do custo unitário de transporte utilizou-se a equação (4) (seção 2.1.2),

na qual o custo operacional (764,20 US$/h) corresponde ao somatório dos custos de

manutenção da via, custo por litro de combustível, pneus, recursos humanos, materiais e

serviços de manutenção e outros apoios, expressos em dólar por hora.

100

3.5.6 Avaliação da influência da rugosidade nos parâmetros operacionais de transporte

A rugosidade da superfície das estradas de mina é considerada neste estudo como uma

variável de controle na gestão dos parâmetros operacionais de transporte, uma vez que ela

compõe o modelo HDM-4 de estimação da resistência ao rolamento e afeta toda cadeia de

variáveis subsequentes (Figura 3.30).

Recursos gráficos para avaliar a variabilidade destes parâmetros ao se alterar a

rugosidade da superfície das estradas das minas 1 e 2 foram utilizados. É importante ressaltar

que são vários modelos de estimativa da resistência ao rolamento existentes na literatura, e os

resultados serão diferentes para cada modelo aplicado. O intervalo de rugosidade utilizado

para a simulação corresponde entre 0 mm/m e 100 mm/m.

Figura 3.30 – Rugosidade como variável de controle dos parâmetros operacionais de transporte.

Produtividade e custos

Tempo de viagem

Velocidade

Resistência ao rolamento

Rugosidade

101

4 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos em cada etapa do trabalho de

pesquisa nas quais foram estimadas a resistência ao rolamento e inclinação das vias,

velocidade, tempo de viagem, produtividade e custo unitário de transporte e realizadas

discussões sobre a influência da rugosidade nestes parâmetros.

4.1 RUGOSIDADE DA SUPERFÍCIE DAS ESTRADAS DE MINA

A tabela 4.1 apresenta os parâmetros estatísticos descritivos dos resultados de

rugosidade das estradas bem como os intervalos de confiança de 95% para a média (Figura

4.1).

Tabela 4.1 – Estatística descritiva dos resultados de rugosidade das estradas das minas 1 e 2.

Estradas da Mina 1 Estradas da Mina 2

A B C D E

Mínimo 4,74 5,31 5,05 3,74 5,76

Média 11,13 13,44 14,42 11,36 19,66

Desvio-padrão 3,50 5,78 5,45 4,31 8,63

Máximo 28,59 38,46 45,83 29,43 61,80

Coeficiente de variação (%) 31,48 42,98 37,82 37,93 43,92

Figura 4.1 – Intervalo de confiança de 95% para a média da rugosidade em cada estrada.

EDCBA

20,8

19,6

18,4

17,2

16,0

14,8

13,6

12,4

11,2

10,0

Estrada

Mé di

a da

ru

gosi

dade

(m

m/m

)

Mina 1

Mina 2

102

Ao analisar os resultados da mina 1, verifca-se na figura 4.1 que a estrada B possui em

média 2 mm/m a mais de rugosidade em relação à estrada A, além de maior dispersão dos

valores. De acordo com as figuras 4.2 e 4.3, percebem-se vários trechos específicos da estrada

B com rugosidade 10 mm/m maior que a rugosidade da estrada A. Ressalta-se maiores valores

de rugosidade na praça de descarga de estéril (estrada B), uma vez que neste local a

conformidade do solo é menor, pois praticamente não é realizado a compactação do mesmo

devido à atividade contínua de descarga e empilhamento de estéril.

Figura 4.2 – Rugosidade média da superfície ao longo da estrada A (mina 1).

Figura 4.3 – Rugosidade média da superfície ao longo da estrada B (mina 1).

Ao analisar os resultados da mina 2, verifca-se nas figuras 4.4, 4.5 e 4.6 que as

estradas C e D possuem rugosidades bastante distintas em relação à estrada E. Percebe-se que

a estrada D é menos rugosa, o que pode ser explicado pelo fato de ser uma via construída de

acordo com a prática recomendada pelo Manual de Estradas de Mina da Vale (OLIVEIRA

FILHO et al.,2010b) por meio da implementação de camadas estruturais e outros requisitos.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0,0

0

0,2

0

0,4

0

0,6

0

0,8

0

1,0

0

1,2

0

1,4

1

1,6

1

1,8

1

2,0

1

2,2

1

2,4

1

2,6

1

2,8

1

3,0

1

3,2

1

3,4

1

3,6

1

3,8

2

4,0

2

4,2

2

4,4

2

4,6

2

4,8

2

5,0

2

5,2

2

5,4

2

Ru

gosi

dad

e (

mm

/m)

Extensão da via (km)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0,0

00,1

00,2

00

,30

0,4

00,5

00,6

00,7

00

,80

0,9

01,0

01,1

01,2

01

,30

1,4

01,5

01,6

01,7

01

,80

1,9

02,0

02,1

02,2

02

,30

2,4

02,5

02,6

02,7

02

,80

2,9

03,0

03,1

03,2

03

,30

3,4

03,5

03,6

03,7

03,8

03,9

04

,00

Ru

gosi

da

de (

mm

/m)


103

Já a estrada E, uma via de transporte de estéril, apresentou valores de rugosidade maiores, se

distanciando em 16,0 mm/m e 30 mm/m aproxidamente das estradas C e D respectivamente,

além de possuir maior dispersão dos valores. As figuras 4.4, 4.5 e 4.6 mostram a rugosidade

ao longo da extensão destas vias e permite observar, como na mina 1, que a via de estéril se

configura mais irregular, principalmente nas praças de descarga.

Figura 4.4 – Rugosidade média da superfície da estrada C (mina 2).

Figura 4.5 – Rugosidade média da superfície da estrada D (mina 2).

0

10

20

30

40

50

60

70

0,0

00

,10

0,2

00

,30

0,4

00

,50

0,6

00

,70

0,8

00

,90

1,0

01

,10

1,2

01

,30

1,4

01

,50

1,6

01

,70

1,8

01

,90

2,0

02

,10

2,2

02

,30

2,4

02

,50

2,6

02

,70

2,8

02

,90

3,0

03

,10

3,2

03

,30

3,4

03

,50

3,6

03

,70

3,8

03

,90

4,0

04

,10

4,2

04

,30

4,4

04

,50

4,6

04

,70

4,8

04

,90

Ru

gosi

dad

e (

mm

/m)


0

10

20

30

40

50

60

70

0,0

0

0,2

0

0,4

0

0,6

0

0,8

0

1,0

0

1,2

0

1,4

0

1,6

0

1,8

0

2,0

0

2,2

0

2,4

0

2,6

0

2,8

0

3,0

0

3,2

0

3,4

0

3,6

0

3,8

0

4,0

0

4,2

0

4,4

0

4,6

0

4,8

0

5,0

0

5,2

0

5,4

0

5,6

0

5,8

0

6,0

0

6,2

0

6,4

0

6,6

0

6,8

0

Ru

gosi

da

de (

mm

/m)


104

Figura 4.6 – Rugosidade média da superfície da estrada E (mina 2).

Os coeficientes de variação apresentados na tabela 4.1 indicam heterogeneidade média

a elevada das amostras, o que permite concluir que há muitas variações de rugosidade na

superfície das estradas, resultando na alteração das condições funcionais ao longo de suas

extensões.

Os resultados qualitativos da condição funcional das estradas estão resumidos na

tabela 4.2. Os registros gráficos detalhados para cada trilha de roda das vias são encontrados

na seção de anexos. Verifica-se que as estradas da mina 1 apresentam, na maior parte

(67,11%), boas condições de tráfego quanto à existência de irregularidades e cerca de um

quarto destas vias possuem condição regular. De modo geral, a estrada A apresenta melhores

condições de tráfego em relação à estrada B.

Tabela 4.2 – Resultados qualitativos de rugosidade.


A (%) B (%) C (%) D (%) E (%)

Excelente 0,32 1,41 0,05 1,51 0,00

Bom 67,11 53,75 43,94 63,90 24,58

Regular 26,33 27,46 38,18 25,00 38,29

Mau 3,67 9,40 10,82 5,82 16,63

Péssimo 2,57 7,99 7,01 3,77 20,51

Já as estradas da mina 2 apresentam condições de tráfego adversas quando comparadas

entre si. A estrada C possui, em predominância, trechos bons (43,94%) e regulares (38,18%)

praticamente na mesma proporção. A estrada D possui predominância da condição boa

0

10

20

30

40

50

60

70

0,0

00,1

00,2

00,3

00,4

00,5

00,6

00,7

00,8

00

,90

1,0

01

,10

1,2

01,3

01,4

01,5

01,6

01,7

01

,80

1,9

02

,00

2,1

02,2

02,3

02,4

02,5

02,6

02,7

02,8

02

,90

3,0

03,1

03,2

03,3

03,4

03,5

03,6

03,7

03

,80

3,9

04

,00

4,1

0

Ru

gosi

da

de (

mm

/m)


105

(63,90%), e se configura como a estrada que possui a melhor condição de tráfego dentre todas

as cinco estudadas, fato este que pode ser explicado pelo método construtivo utilizado, como

já mencionado. Ela supera a condição de tráfego boa das estradas C e D em 45% e 160%,

respectivamente. A estrada E é isenta de trechos com condição excelente e a situação regular

predomina em toda sua extensão (38,29%), além de ser a estrada que mais apresenta trechos

de péssima qualidade (20,51%).

4.2 RESISTÊNCIA AO ROLAMENTO

A tabela 4.3 apresenta os parâmetros estatísticos descritivos dos resultados da

estimativa de resistência ao rolamento a que os caminhões fora-de-estrada 793D são

submetidos nas estradas das minas em estudo, expressa pelo seu coeficiente de resistência ao

rolamento, para o intervalo de confiança de 95%.

Tabela 4.3 – Coeficiente de resistência ao rolamento das estradas das minas 1 e 2, em %.


A B C D E

Ida

Mínimo 0,62 0,65 0,63 0,57 0,67

Média 0,93 1,04 1,09 0,94 1,35

Desvio padrão 0,17 0,28 0,27 0,21 0,42

Máximo 1,78 2,26 2,62 1,82 3,40

Coeficiente de variação 18,31 26,94 24,33 22,26 31,22

Retorno

Mínimo 0,68 0,72 0,70 0,63 0,74

Média 1,03 1,15 1,20 1,04 1,49

Desvio padrão 0,19 0,31 0,29 0,23 0,46

Máximo 1,97 2,50 2,89 2,01 3,75

Coeficiente de variação 18,31 26,94 24,33 22,26 31,22

O coeficiente de resistência ao rolamento médio quando o caminhão viaja carregado é

aproximadamente 11% inferior ao coeficiente quando o caminhão trafega vazio para todas as

estradas, o que permite observar, através do modelo estimativo HDM-4, que há pequena

variação da resistência ao rolamento para caminhões fora-de-estrada com capacidade de 240 t

quando se altera a quantidade de material transportada.

106

De modo geral, a condição de rugosidade das estradas das minas em estudo contribui

para uma amplitude de coeficiente de resistência ao rolamento de 0,57% a 3,75%. Os

coeficientes de variação obtidos apresentam valores menores que os valores encontrados para

a rugosidade, pois neste caso há outras variáveis de influência (modelo HDM-4) e também

indicam leve homogeneidade dos resultados nas amostras pesquisadas.

Ao se comparar os resultados apresentados na tabela 4.3 com valores de coeficiente de

resistência ao rolamento para estradas de mina encontrados na literatura, como sugeridos em

Holman (2006), Tannant e Regensburg (2001), Reis (2014), López Jimeno et al. (2015), entre

outros, percebe-se que os resultados absolutos obtidos foram subestimados, o que se justifica

devido à ausência dos parâmetros de textura e deflexão das vias. Com isso, para alcançar os

objetivos desta pesquisa, considerou-se o avaliar o intervalo de variação dos dados, uma vez

que desta forma não há prejuízo na análise dos resultados, pois o comportamento das curvas

matemáticas do processamento dos dados não muda.

Para efeito de verificação simulou-se o coeficiente de resistência ao rolamento

considerando a textura e deflexão da via equivalentes à 17 mm e 2,5 mm (COFFEY et al.,

2015), respectivamente, obtendo-se, assim, resultados entre 4% e 7%. Neste caso é sugerida,

para trabalhos futuros, a medição destes parâmetros em campo para compatibilizar os valores

absolutos de resistência ao rolamento à realidade de mina.

Na mina 1, as condições de rugosidade da estrada B (via de transporte de estéril) pode

contribuir em até 27% a mais de resistência ao rolamento que a estrada A (via de transporte de

minério). Já na mina 2, a condição de rugosidade da estrada D (método construtivo

recomendado) contribui com maior regularidade de valores de resistência ao rolamento, uma

vez que possui menores valores de desvio padrão. Quando comparada às outras estradas da

mesma mina, a resistência ao rolamento da estrada D pode ser até 31% e 47% menor em

relação à resistência ao rolamento das estradas C (via de transporte de minério) e E (via de

transporte de estéril), respectivamente. O coeficiente de resistência ao rolamento ao longo de

toda extensão das estradas se encontra detalhadamente nos apêndices.

A figura 4.7 apresenta os resultados de coeficiente de resistência ao rolamento médio

das estradas. Verifica-se, como já mencionado, que este coeficiente é maior quando se

diminui a carga. Deve-se atentar ao fato de que, apesar da relação diretamente proporcional

entre a resistência ao rolamento e à carga aplicada aos pneus, conforme equação (6), o inverso

ocorre quando se relaciona ao coeficiente de resistência ao rolamento.

107

Figura 4.7 – Coeficiente de resistência ao rolamento médio a que os caminhões são submetidos na ida e retorno.

Segundo LaClair (2006), a compressão da superfície da via ocorre na área de contato

entre o pneu e o pavimento devido à carga que o pneu carrega. Os níveis típicos de tensão de

compressão são de cerca de 14% para pneus de caminhões. O nível instantâneo depende da

tensão local, que por sua vez depende da pressão de inflação e da carga. Na região de contato

do pneu, as forças normais resultantes da carga devem ser equilibradas localmente pela força

gerada pela pressão interna do pneu, portanto, as tensões verticais na carcaça são efetivamente

limitadas pela pressão do pneu. Como resultado, o comprimento da área de contato é ajustado

para suportar a carga e os níveis médios de tensão e de deformação do piso são quase

independentes da carga em si.

Quando uma carga maior é aplicada, a área de contato maior resulta em um período

mais longo de compressão para cada ponto de material que passa pela superfície de contato,

mas a parte transitória do ciclo de tensão-deformação não altera.

Como a energia dissipada pela histerese é determinada pela integral

∫ , a adição de um período no qual a tensão permanece constante na superfície de contato

entre o pneu e o pavimento, logo não resultará em perda adicional de energia. Isso sugere que

a dissipação de energia pode permanecer inalterada no caso de uma carga aplicada mais alta,

resultando em um coeficiente reduzido de resistência ao rolamento, que é simplesmente a

1,03

1,15

1,20

1,04

1,49

0,93

1,04

1,09

0,94

1,35

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

A

B

C

D

E

Est

rad

as

da M

ina 1

Est

rad

as

da M

ina 2

Coeficiente de resistência ao rolamento médio (%)

Ida Retorno

108

relação entre a resistência ao rolamento e a carga aplicada (LACLAIR, 2006), como mostra a

Figura 4.8.

Figura 4.8 – Efeito do aumento da carga imposta ao pneu na variabilidade do coeficiente de resistência ao

rolamento (Adaptado de LaClair, 2006).

No entanto, o aumento do achatamento na direção mais longa da superfície de contato

e a flexão adicional da parede lateral tendem a neutralizar esse efeito, e o coeficiente de

resistência ao rolamento tende a permanecer quase constante com a carga. Embora o efeito da

carga na resistência ao rolamento dos pneus seja aproximadamente linear, o aumento na

dissipação de energia que acompanha o aumento da carga faz com que a temperatura do pneu

aumente. O aumento da temperatura provoca o aumento da pressão interna, pois as partículas

do ar se movimentam mais desordenadamente, o que causa o aumento da rigidez do pneu e

redução das deformações. Isso resulta em um menor coeficiente de perda de histerese para os

materiais da borracha do pneu e, como resultado, o coeficiente de resistência ao rolamento

diminui com o aumento da carga (LACLAIR, 2006).

Este comportamento pode ser visualizado na figura 4.9 para o caminhão 793D

trafegando vazio (peso tara 165749 kg) e carregado (peso bruto 383749 kg) na estrada A, cuja

rugosidade média equivale a 11,13 mm/m.

Legenda:

RR: Resistência ao rolamento;

W: carga imposta ao pneu;

CRR: coeficiente de

resistência ao rolamento.

W

RR

RR ou CRR

109

Figura 4.9 – Influência do aumento da carga imposta aos pneus do caminhão 793D na resistência ao rolamento e

seu coeficiente.

4.3 RESISTÊNCIA DEVIDO À INCLINAÇÃO DA VIA

A subdivisão da estrada A em trechos através do desenho de perfil é apresentada na

figura 4.10 e a classificação dos trechos, bem como seus valores de coeficientes de resistência

devido à inclinação da via (fθ) em ambos os sentidos de tráfego são apresentados na tabela

4.4. O trecho com maior inclinação ou declinação apresenta módulo de coeficiente de

resistência devido à inclinação da via equivalente a 9,52% e comprimento de 944,92 metros.

16710,58

21293,04

25875,50

30457,96

35040,41 1,03

0,99

0,96 0,94

0,93

0,91

0,93

0,95

0,97

0,99

1,01

1,03

1,05

15000

18000

21000

24000

27000

30000

33000

36000

39000

165749 220249 274749 329249 383749

Coefi

cie

nte

de r

esi

st. ao r

ola

men

to (

%)

Resi

stên

ia a

o r

ola

men

to (

N)

Carga imposta aos pneus (kg)

Resistência ao rolamento Coeficiente de resistência ao rolamento

110

Figura 4.10 – Estrada A subdivida em trechos em função da variabilidade da inclinação da via.

Tabela 4.4 – Coeficiente de resistência à inclinação da via para cada trecho da estrada A.

Trecho Comprimento

(m) Classificação

Coeficiente de resistência devido à

inclinação da via (%)

fθ ida fθ retorno

A - Origem 491,43 Aclive/declive -9,39 9,39

B 67,31 Horizontal 0,57 0,57

C 620,54 Aclive/declive 8,45 -8,45

D 81,74 Aclive/declive 4,79 -4,79

E 944,92 Aclive/declive 9,52 -9,52

F 663,20 Aclive/declive 6,91 -6,91

G 62,41 Horizontal 1,91 1,91

H 116,51 Horizontal 1,09 1,09

I 171,32 Aclive/declive 4,44 -4,44

J 310,04 Aclive/declive 7,72 -7,72

K 105,17 Aclive/declive 4,61 -4,61

L 96,53 Aclive/declive 7,24 -7,24

M 241,54 Horizontal 1,62 1,62

N 78,93 Aclive/declive 5,91 -5,91

O 162,19 Aclive/declive 8,25 -8,25

P 731,66 Aclive/declive 2,27 -2,27

Q 455,20 Aclive/declive -6,45 6,45

R - Destino 47,33 Horizontal 0,09 0,09

A

B

C

D E

F G

K

J

I

H

O

N M

L

R Q P

111

Na estrada B, o trecho com maior inclinação ou declinação apresenta módulo de

coeficiente de resistência devido à inclinação da via equivalente a 8,31% e comprimento de

355,56 metros (Tabela 4.5).

Tabela 4.5 – Coeficiente de resistência à inclinação da via para cada trecho da estrada B.

Trecho Comprimento

(m) Classificação



fθ ida fθ retorno

A - Origem 64,49 Aclive/declive -4,76 4,76

B 87,06 Aclive/declive 7,65 -7,65



E 38,65 Horizontal 1,32 1,32


G 190,17 Aclive/declive 5,94 -5,94

H 145,44 Horizontal 0,23 0,23

I 187,79 Aclive/declive -5,18 5,18

J 241,66 Horizontal 0,45 0,45

K 62,19 Aclive/declive -2,42 2,42

L 379,57 Aclive/declive -7,09 7,09

M 107,77 Horizontal 0,25 0,25

N 200,77 Aclive/declive -6,52 6,52

O 105,75 Horizontal 0,26 0,26

P 148,52 Aclive/declive 2,51 -2,51

Q 556,79 Horizontal 0,22 0,22

R 66,53 Aclive/declive -3,20 3,20

S 33,48 Horizontal 0,80 0,80

T 142,13 Aclive/declive 2,45 -2,45

U 67,71 Horizontal 0,13 0,13

V 238,97 Aclive/declive 7,60 -7,60

W 228,19 Horizontal 1,23 1,23

X 52,56 Aclive/declive -4,33 4,33

Y - Destino 69,45 Horizontal 0,70 0,70

A estrada C possui um pequeno trecho com inclinação ou declinação maior em relação

aos demais, cujo módulo de coeficiente de resistência devido à inclinação da via equivale a

12,51% e comprimento de 45,66 metros (Tabela 4.6).

112

Tabela 4.6 – Coeficiente de resistência à inclinação da via para cada trecho da estrada C.

Trecho Comprimento

(m) Classificação



fθ ida fθ retorno

A - Origem 65,31 Horizontal 0,72 0,72






G 200,84 Aclive/declive -6,65 6,65

H 107,28 Aclive/declive -3,45 3,45


J 48,22 Horizontal 0,26 0,26



M 20,93 Aclive/declive 4,75 -4,75

N 519,72 Aclive/declive 8,38 -8,38

O 734,88 Aclive/declive 2,62 -2,62

P 678,69 Horizontal 0,53 0,53

Q 259,39 Horizontal 0,34 0,34

R - Destino 73,69 Aclive/declive 5,86 -5,86

A estrada D possui um longo trecho com inclinação ou declinação maior em relação

aos demais, cujo módulo de coeficiente de resistência devido à inclinação da via equivale a

8,91% e comprimento de 1472,20 metros (Tabela 4.7).

Por fim, o trecho da estrada E com maior inclinação ou declinação possui 9,06% de

coeficiente de resistência devido à inclinação da via e comprimento de 1001,90 metros

(Tabela 4.8). Os desenhos de perfil das estradas B, C, D e E, nos quais é possível observar a

subdivisão dos trechos, se encontram na seção de apêndice.

113

Tabela 4.7 – Coeficiente de resistência à inclinação da via para cada trecho da estrada D.

Trecho Comprimento

(m) Classificação



fθ ida fθ retorno

A - Origem 221,71 Aclive/declive 6,29 -6,29

B 85,91 Horizontal 0,06 0,06

C 1472,20 Aclive/declive -8,91 8,91

D 222,90 Horizontal 0,30 0,30

E 212,34 Horizontal 1,49 1,49


G 131,90 Horizontal 0,20 0,20



J 168,45 Aclive/declive -3,13 3,13



M 599,75 Horizontal 0,45 0,45

N 162,95 Horizontal 1,98 1,98

O 97,84 Horizontal 0,58 0,58

P 239,63 Aclive/declive -2,25 2,25

Q - Destino 20,02 Horizontal 0,91 0,91

Tabela 4.8 – Coeficiente de resistência à inclinação da via para cada trecho da estrada E.

Trecho Comprimento

(m) Classificação



fθ ida fθ retorno

A - Origem 179,84 Horizontal 0,16 0,16


C 288,30 Horizontal 0,70 0,70




G 162,57 Horizontal 0,12 0,12


I 110,04 Horizontal 0,45 0,45

J 234,88 Aclive/declive -6,74 6,74

K - Destino 32,98 Horizontal 1,13 1,13

Na mina 1, a estrada B possui relativamente maior extensão em trecho horizontal

(40%) quando comparada à estrada A (10%). Na mina 2, a proporção entre trechos

horizontais (20%) e inclinados (80%) se mantém praticamente a mesma entre as estradas C, D

114

e E, conforme apresenta a figura 4.11. Esta característica permite avaliar a variação da

velocidade média e tempo de viagem gasto pelo caminhão entre as estradas. Vias compostas,

em sua maior parte, por trechos inclinados permitem desenvolver velocidades, em média,

menores, enquanto que a predominância de trechos horizontais permite o oposto, quando se

mantém o mesmo nível de rugosidade e comprimento da via.

Figura 4.11 – Proporção dos trechos horizontais e inclinados para cada estrada.

Ressalta-se a importância de um bom traçado em planta e em elevação com atenção

não somente ao corpo de minério a ser lavrado, pois pelas características das rampas

apresentadas há várias mudanças de inclinação das mesmas, o que causa fortes implicações na

produtividade.

4.4 VELOCIDADE E TEMPO DE VIAGEM

Conforme resultados obtidos de velocidades e tempos de viagem na ida e retorno do

caminhão fora-de-estrada, de acordo com a tabela 4.9, verifica-se na mina 1 que as

velocidades médias de ida e retorno que o caminhão pode desenvolver são praticamente a

mesma, tanto na estrada A quanto na estrada B. O tempo de viagem é menor na estrada B,

porém deve-se considerar o fato que esta via é menor em 1,38 km, o que contribui

diretamente na variação deste parâmetro.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

A B C D E

Mina 1 Mina 2

Porp

orçã

o d

os

trech

os

Horizontal Inclinado

115

Tabela 4.9 – Velocidades e tempos de viagem estimados para o caminhão fora-de-estrada.

Estrada Velocidade (km/h) Tempo de viagem (min)

Ida Retorno Ida Retorno Total

Mina 1

A 18,79 32,10 20,47 10,52 30,99

B 18,92 32,30 13,80 7,82 21,62

Mina 2

C 23,66 40,14 16,02 7,67 23,69

D 23,07 38,62 21,73 11,23 32,95

E 18,14 36,54 15,26 7,01 22,27

Na mina 2, a velocidade de ida e retorno são menores na estrada E, o que pode ser

explicado pelo fato desta via apresentar maior coeficiente de resistência ao rolamento médio

na ida e retorno (1,35% e 1,49%, respectivamente) e possuir, ligeiramente, maior quantidade

relativa de trechos inclinados, além de um terço de sua extensão (1001,90 metros) ter maior

coeficiente de resistência à inclinação (9,06%) em relação aos maiores trechos das outras

estradas. O tempo de viagem é maior na estrada D devido ao fato desta via ser mais extensa

em 1,97 km e 2,84 km que as estradas C e E, respectivamente.

Vale ressaltar que os valores absolutos de velocidade e tempo de viagem seriam

menores e maiores, respectivamente, considerando a textura e deflexão das vias no cálculo da

força resistiva de rolamento, como comentado no item 4.2.

4.5 PRODUTIVIDADE E CUSTO UNITÁRIO DE TRANSPORTE

Os resultados de produtividade do caminhão fora-de-estrada 793D e o custo unitário

de transporte são apresentados na tabela 4.10.

Tabela 4.10 – Produtividade e custo unitário de transporte.

Estradas da mina 1 Estradas da mina 2

A B

C D E

Produtividade (t/h) 251,40 327,58

337,66 259,08 354,14

Custo unitário

de transporte (US$/t) - - 2,26 2,95 2,16

Como todas as estradas possuem comprimentos e geometrias diferentes, logo espera-

se que a produtividade e custo também o seja. Isto ocorre para as estradas da mina 1 e 2, nas

116

quais a produtividade do caminhão fora-de-estrada é maior nas estradas E e C, seguidas das

estradas B, D e A, nesta ordem. Vale ressaltar que os caminhões fora-de-estrada da mina 2

transportam, em média, maior quantidade de material (245,45 t) em relação aos caminhões de

mesmo modelo pertencentes à mina 1 (241, 16 t). O tempo fixo total é menor para os

caminhões da mina 1 (6,84 min) em comparação aos caminhões da mina 2 (9,30 min).

Foi possível calcular o custo unitário de transporte somente para a mina 2, devido a

indisponibilidade de dados de custos da mina 1. A estrada D apresentou maior custo (2,95

US$/t), uma vez que possui maior distância de transporte de material. A estrada C apresentou

custo unitário de transporte de 2,26 US$/t, seguida da estrada E com 2,16 US$/t.

4.6 INFLUÊNCIA DA RUGOSIDADE NOS PARÂMETROS OPERACIONAIS DE TRANSPORTE

Os resultados obtidos da simulação do comportamento dos parâmetros operacionais de

transporte quando ocorre a variação de 10 cm de rugosidade da superfície das estradas de

mina são apresentados na tabela 4.11.

Tabela 4.11 – Influência da rugosidade das estradas das minas 1 e 2 nos parâmetros operacionais de transporte.

Estrada L (km) CRR (%) vm (km/h) Tv (min) P (t/h) Cunit (US$/t)

A 5,45

0,49

(ida)

0,54

(retorno)

5,12 9,51 49,24 -

B 4,07 4,56 5,35 48,49 -

C 4,99 7,62 9,66 83,94 0,72

D 6,96 5,02 8,03 44,09 0,60

E 4,12 4,02 4,90 51,55 0,36

Os valores de coeficiente de resistência ao rolamento (CRR), velocidade média (v),

tempo de viagem (Tv), produtividade (P) e custo unitário de transporte (Cunit) apresentados na

tabela 4.11 correspondem às variações, e não valores absolutos. A influência da rugosidade

em cada parâmetro é apresentada e discuta nos itens a seguir.

117

Resistência ao rolamento

A rugosidade se relaciona com o coeficiente de resistência ao rolamento de modo

linear, conforme apresentado na figura 4.12, para as condições do caminhão fora-de-estrada

carregado e vazio.

Figura 4.12 – Influência da rugosidade no coeficiente de resistência ao rolamento.

Desta forma, a variação da rugosidade da superfície da via em 1 cm (10 mm/m) resulta

em uma variação de 0,49 e 0,54 ponto percentual no coeficiente de resistência ao rolamento

para o caminhão carregado e vazio, respectivamente.

Em uma situação hipotética em que a superfície de uma estrada de mina fosse mantida

com rugosidade em até 3,5 mm/m (condição de via excelente para o tráfego), o coeficiente de

resistência ao rolamento resultaria em um valor máximo equivalente a 0,56% e 0,62% para o

caminhão carregado e vazio, respectivamente. Caso contrário, para uma rugosidade de 100

mm/m (condição de via péssima para o tráfego), os coeficientes resultariam em 5,25% e

5,80%, para as respectivas condições de carregamento citadas anteriormente.

Para as condições de tráfego da via classificadas como boa, regular e mau, os

coeficientes de resistência ao rolamento para o caminhão carregado assumem valores

equivalentes a 0,97%, 1,36% e 1,65%, respectivamente, considerando a rugosidade máxima

118

para cada categoria de classificação. Já para o caminhão vazio, estes valores equivalem a

1,07%, 1,50% e 1,83%, respectivamente.

Verifica-se que a medida em que a rugosidade aumenta, a diferença entre os

coeficientes de resistência ao rolamento para as condições de caminhão carregado e vazio

também aumenta. Logo, pode-se inferir que o caminhão vazio apresenta maior sensibilidade

às irregularidades existentes na via. Segundo Laclair (2006), a diminuição da carga imposta

aos pneus devido à diminuição da carga de material transportada, provoca a diminuição da

temperatura interna do pneu e consequente redução em sua rigidez. Desta forma, a banda de

rodagem estaria mais propensa às deformações oriundas do contato pneu-solo, o que

intensifica a resistência ao rolamento.

Velocidade, tempo de viagem, produtividade e custo unitário de transporte

A influência da rugosidade na velocidade, tempo de viagem, produtividade e custo

unitário de transporte para cada estrada de mina estudada é descrita a seguir. Para cada estrada

manteve-se constante suas características geométricas (comprimento e inclinação dos trechos)

e variou-se a rugosidade da superfície das vias em uma amplitude de 10 centímetros. Ressalta-

se que as velocidades estimadas foram ajustadas para atender à restrição operacional na qual a

velocidade limite de tráfego de 40 km/h e 50 km/h são empregadas para as minas 1 e 2,

respectivamente, e às forças resistivas inerciais de aceleração e frenagem através do fator de

redução de velocidade.

4.6.1 Estrada A

O aumento da rugosidade da superfície da estrada A resulta em diminuição da

velocidade média de tráfego e aumento do tempo de viagem total do caminhão, como mostra

a figura 4.13.

119

Figura 4.13 – Influência da rugosidade da estrada da mina A na velocidade média e tempo de viagem total do

caminhão fora-de-estrada 793D.

A variação da rugosidade em 1 cm (10 mm/m) provoca a variação da velocidade

média do caminhão em 0,51 km/h e do tempo de viagem total em 0,95 min (57 segundos).

A estrada A possui rugosidade média de 11 mm/m. Em cenário de falta de manutenção, por

exemplo, de modo que a rugosidade da estrada aumentasse para 80 mm/m (variação de

aproximadamente 70 mm/m), o tráfego do caminhão fora-de-estrada seria afetado e sua

velocidade sofreria uma redução de 3,57 km/h, o que impactaria em um aumento de 6,65

minutos no tempo de viagem total, considerando fixas as condições geométricas da via. Neste

caso, a resistência ao rolamento sofreria, também, um acréscimo de 3,57%, o que permite

observar que a sua variação é linearmente relacionada à variação da velocidade.


produtividade do caminhão, como mostram as figuras 4.14 e 4.15.

120

Figura 4.14 – Influência da rugosidade da estrada da mina A no tempo de viagem total e produtividade do


Figura 4.15 – Comportamento da produtividade do caminhão em função da variação da rugosidade da estrada A.

O incremento de 1 cm (10 mm/m) de rugosidade resulta em diminuição média de 4,90

t/h de produtividade do caminhão. Em um cenário em que a estrada A tenha sua superfície

alterada de modo que a rugosidade aumente em 10 cm, a produtividade sofreria uma redução

de aproximadamente 50 t/h.

121

4.6.2 Estrada B

O aumento da rugosidade da superfície da estrada B resulta em diminuição da


a figura 4.16.

Figura 4.16 – Influência da rugosidade da estrada da mina B na velocidade média e tempo de viagem total do


A velocidade média (vm) do caminhão da estrada B e o tempo de viagem total (Tv)

variam como uma função quadrática em relação à rugosidade (IRI) da via. A lei de variação

obedece às equações (38) e (39), com coeficientes de determinação (R²) equivalentes a 0,9984

e 0,9995, respectivamente.

.................................................. (Equação 38)

.............................................. (Equação 39)

Em um cenário de aumento de rugosidade da estrada B em 10 cm (100 mm/m), a

velocidade diminui em 5 km/h, e o tempo de viagem aumenta em 5 minutos,

122

aproximadamente, considerando fixas as características geométricas da via. Neste caso, a

resistência ao rolamento sofreria um acréscimo de 5,5%.


produtividade do caminhão, como mostram as figuras 4.17 e 4.18.

Figura 4.17 – Influência da rugosidade da estrada da mina B no tempo de viagem total e produtividade do


Figura 4.18 – Comportamento da produtividade do caminhão em função da variação da rugosidade da estrada B.

123

O aumento da rugosidade diminui a produtividade do caminhão em intervalos cada

vez maiores, com comportamento semelhante a uma função quadrática. A estrada B possui

rugosidade média de 13 mm/m, com trechos que chegam a 38 mm/m. Em um cenário em que

a rugosidade de 38 mm/m se estendesse por toda estrada, haveria perda de aproximadamente

7 t/h de produtividade. Para um aumento de rugosidade de 10 cm (100 mm/m) a

produtividade reduziria cerca de 50 t/h, em consequência do aumento da resistência ao

rolamento e redução de velocidade por parte do operador.

4.6.3 Estrada C

O aumento da rugosidade da superfície da estrada C resulta em diminuição da


a figura 4.19.

Figura 4.19 – Influência da rugosidade da estrada da mina C na velocidade média e tempo de viagem total do


A variação da rugosidade em 1 cm (10 mm/m) provoca a variação da velocidade

média do caminhão em 0,76 km/h e do tempo de viagem total em 0,97 min (58 segundos).

A estrada C possui rugosidade média de 14 mm/m, com trechos em que a rugosidade atinge

patamares de 45 mm/m. Em cenário de falta de manutenção, por exemplo, de modo que a

124

rugosidade de toda a estrada aumentasse para 45 mm/m (variação de aproximadamente 30

mm/m), o tráfego do caminhão fora-de-estrada seria afetado e sua velocidade sofreria uma

redução de 2 km/h, o que impactaria em um aumento de 3 minutos no tempo de viagem total,

considerando fixas as condições geométricas da via.


produtividade do caminhão e aumento do custo unitário de transporte, como mostram as

figuras 4.20, 4.21 e 4.22.

Figura 4.20 – Influência da rugosidade da estrada da mina C na produtividade do caminhão fora-de-estrada 793D

e custo unitário de transporte.


vez maiores, com comportamento semelhante a uma função linear. O incremento de

rugosidade em 1 cm (100 mm/m) resulta em uma redução média de produtividade de 8,40 t/h,

aproximadamente. Em um cenário de aumento de 10 cm de rugosidade, a produtividade

reduziria em cerca de 90 t/h, como mostra a figura 4.21.

125

Figura 4.21 – Comportamento da produtividade do caminhão em função da variação da rugosidade da estrada C.

Verifica-se, pela figura 4.22, que o custo unitário de transporte aumenta com o

aumento da rugosidade da via em intervalos cada vez maiores. Em um cenário em que a

rugosidade da estrada C (14,42 mm/m) aumentasse para 45 mm/m (máximo medido nesta

estrada), o custo unitário de transporte aumentaria em 0,15 US$/t, aproximadamente. Para

uma variação de 10 cm de rugosidade, o custo unitário de transporte varia cerca de 0,70

US$/t.

Figura 4.22 – Comportamento do custo unitário de transporte em função da variação da rugosidade da estrada C.

126

4.6.4 Estrada D

O aumento da rugosidade da superfície da estrada D resulta em diminuição da


a figura 4.23.

Figura 4.23 – Influência da rugosidade da estrada da mina D na velocidade média e tempo de viagem total do


A velocidade média e tempo de viagem variam como uma função quadrática em um

cenário que a estrada D varie sua rugosidade de um valor próximo de zero até 40 mm/m. Para

variação acima desse patamar, o comportamento da velocidade e tempo seguem uma função

linear. A variação da rugosidade em 1 cm (10 mm/m) provoca a variação da velocidade média

do caminhão em 0,50 km/h e do tempo de viagem total em 0,80 min (48 segundos).

A estrada D possui rugosidade média e máxima de 3 mm/m e 29 mm/m,

aproximadamente. Em um cenário em que toda via tivesse a rugosidade máxima, a velocidade

do caminhão sofreria uma redução de 0,6 km/h e 30 segundos em sua velocidade e tempo de

viagem, respectivamente.

O aumento da rugosidade da superfície da estrada D resulta em diminuição da


figuras 4.24, 4.25 e 4.26.

127

Figura 4.24 – Influência da rugosidade da estrada da mina D na produtividade do caminhão fora-de-estrada 793D







Figura 4.25 – Comportamento da produtividade do caminhão em função da variação da rugosidade da

estrada D.

128



rugosidade da estrada D (11,36 mm/m) aumentasse para 29,43 mm/m (máximo medido nesta



US$/t.

Figura 4.26 – Comportamento do custo unitário de transporte em função da variação da rugosidade da estrada D.

4.6.5 Estrada E

O aumento da rugosidade da superfície da estrada E resulta em diminuição da


a figura 4.27.

129

Figura 4.27 – Influência da rugosidade da estrada da mina E na velocidade média e tempo de viagem total do


A velocidade média e tempo de viagem variam como uma função quadrática em um

cenário que a estrada E varie sua rugosidade de um valor próximo de zero até 40 mm/m. Para

variação acima desse patamar, o comportamento da velocidade e tempo seguem uma função

linear. A variação da rugosidade em 1 cm (10 mm/m) provoca a variação da velocidade média

do caminhão em 0,40 km/h e do tempo de viagem total em 0,49 min (29 segundos).

A estrada E possui rugosidade média e máxima de 19,66 mm/m e 61,80 mm/m,

aproximadamente. Em um cenário em que toda via tivesse a rugosidade máxima, a velocidade

do caminhão sofreria uma redução de 1,8 km/h e 2,0 min em sua velocidade e tempo de

viagem, respectivamente.

O aumento da rugosidade da superfície da estrada E resulta em diminuição da


figuras 4.28, 4.29 e 4.30.

130

Figura 4.28 – Influência da rugosidade da estrada da mina E na produtividade do caminhão fora-de-estrada 793D







Figura 4.29 – Comportamento da produtividade do caminhão em função da variação da rugosidade da estrada E.

131



rugosidade da estrada E (19,66 mm/m) aumentasse para 61,80 mm/m (máximo medido nesta



US$/t.

Figura 4.30 – Comportamento do custo unitário de transporte em função da variação da rugosidade da estrada E.

132

5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS

O estudo de caso voltado para a avaliação das condições de operação dos caminhões

fora-de-estrada de 240 toneladas em duas minas de ferro de grande porte, por meio da análise

da influência da rugosidade da superfície das estradas nos parâmetros operacionais de

transporte, alcançou os objetivos inicialmente propostos e se mostrou importante no sentido

de fornecer informações sobre o espaço de trabalho na movimentação de minério e estéril às

equipes de terraplenagem e infraestrutura que o gerem, permitindo o melhor controle das

variáveis que compõe a atividade de transporte.

A caracterização das estradas de mina quanto às irregularidades ou rugosidades

existentes em suas superfícies, através da medição por perfilagem a laser, se mostrou

inovadora ao empregar uma técnica mundialmente padronizada e utilizada em pavimentos

rodoviários, mas que também é adaptável para a realidade dos pavimentos primários, que são

os que mais se aproximam das condições de pista das minas. Comumente, nas minas

brasileiras, tal medição é realizada de maneira subjetiva ou por métodos qualitativos, não

sendo encontrados registros de medição quantitativa na literatura.

Ao selecionar, a priori, os parâmetros operacionais de transporte a serem estudados,

foi preciso simplificar algumas etapas metodológicas para viabilizar a pesquisa em detrimento

dos dados disponíveis. Quanto às forças resistivas no movimento de caminhões, desprezou-se

a resistência do ar, uma vez que sua magnitude não impacta na variabilidade dos resultados.

As forças resistivas inerciais foram contabilizadas por meio do fator de redução de

velocidade, devido à complexidade de sua medição em campo. A resistência ao rolamento foi

estimada através do modelo HDM-4 o qual foi selecionado, dentre os diversos modelos

existentes na literatura e recomendado pelo Banco Mundial, por considerar um conjunto

robusto de parâmetros que são relevantes na interação pneu-solo e por permitir sua calibração

para refletir diferentes cenários de aplicação. Não foi possível calibrar o modelo a partir de

dados medidos, mas sim pelo método estatístico de regressão, na qual foi possível extrapolar

o fator de calibração para o porte dos caminhões fora-de-estrada. Na estimação da velocidade

máxima teórica que o caminhão é capaz de desenvolver em cada trecho da estrada, levou-se

em conta a restrição operacional de limite de velocidade de tráfego adotado pelas gerências

das minas.

A influência da rugosidade na resistência ao rolamento se dá por uma relação linear

crescente, na qual o incremento de 1 cm de rugosidade resulta no incremento de 0,49 e 0,54

133

ponto percentual no coeficiente de resistência ao rolamento quando o caminhão trafega

carregado e vazio, respectivamente. A diferença inicial de 0,05 ponto percentual cresce à

medida que a rugosidade aumenta, o que leva a concluir que o caminhão vazio é mais sensível

à variação da rugosidade. Este fato pode ser explicado pela diminuição da rigidez da carcaça

do pneu, o que provoca maior susceptibilidade às deformações da banda de rodagem quando

em contato com as irregularidades da pista de rolamento.

Na mina 1, localizada no norte do Brasil, a estrada A possui melhores condições de

tráfego que a estrada B, segundo resultados quantitativos e qualitativos de rugosidade das

vias. A rugosidade média da estrada A foi equivalente a 11,13 mm/m e 67,11% de sua

extensão foi classificada como boa, contra 13,44 mm/m de rugosidade da estrada B e 53,75%

de extensão boa para o tráfego. Isso influenciou a resistência ao rolamento, que foi 27%

menor na estrada A em relação à estrada B nos trechos mais rugosos. A estrada A apresentou

menor proporção de trechos horizontais (10%) que a estrada B (39%), mas isso não

influenciou nas velocidades médias de ida e retorno dos caminhões, que se mantiveram

praticamente as mesmas para ambas estradas. Com isso a produtividade foi menor na estrada

A, pelo fato de possuir 34% a mais de comprimento, mesmo tendo melhores condições para o

tráfego.

A variação da rugosidade nas duas estradas em um intervalo de 10 cm influenciou a

velocidade do caminhão de modo similar, na qual obteve-se variação da velocidade em 5,12

km/h (A) e 4,56 km/h (B). O mesmo ocorreu com a produtividade, na qual teve variação de

49,24 t/h (A) e 48,49 t/h (B). O tempo de viagem variou em 9,51 minutos na estrada A contra

5,35 minutos na estrada B.

Na mina 2, a estrada D apresentou melhores condições de tráfego em relação às

estradas C e E, com trechos classificados como excelente. Observou-se que a rugosidade desta

via apresentou maior regularidade (poucos desvios) e conclui-se que o método construtivo

influenciou o modo como se comporta a camada de revestimento, uma vez que obedece aos

requisitos de dimensionamento estabelecidos no Manual de Estradas de Mina da Vale

(OLIVEIRA FILHO et al.,2010b). O coeficiente de rolamento também foi menor nesta

estrada. Quanto à presença de trechos inclinados, as três estradas apresentaram praticamente a

mesma proporção de trechos horizontais e rampas (média de 20% e 80%, respectivamente).

A variação da rugosidade em um intervalo de 10 cm, nas três estradas, resultou na

variação da velocidade em 7,62 km/h (C), 5,02 km/h (D) e 4,02 km/h (E) e no tempo de

viagem em 9,66 min (C), 8,03 min (D) e 4,90 min (E). A menor amplitude de variação

134

ocorreu na estrada E, que por sua vez possui condições inferiores de tráfego. Isto pode ser

explicado devido ao fato de o operador do caminhão não possuir margem de mudança de

velocidade uma vez que as irregularidades da via se estendem ao longo de seu comprimento.

Nas estradas da mina 2, o incremento de 10 cm de rugosidade resultou em decréscimos de

produtividade na ordem de 83 t/h (C), 44 t/h (D) e 51 t/h (E). O custo unitário de transporte

variou em 0,72 US$/t (C), 0,60 US$/t (D) e 0,36 US$/t (E).

Em uma análise mais abrangente, considerando os resultados de todas as estradas,

conclui-se que um aumento de 10 cm de rugosidade resulta, em média, em um aumento de

coeficiente de resistência ao rolamento em 5%, redução de velocidade em 25% e aumento do

tempo de viagem em 26%, redução da produtividade em 19% e aumento do custo unitário de

transporte em 21%. Por fim, os resultados obtidos podem servir de subsídio na tomada de

decisão acerca da gestão das estradas de mina, tanto no dimensionamento da frota de

transporte de minério e estéril quanto na manutenção das vias, através do controle da

rugosidade superficial dos pavimentos.

Sugere-se, para estudos futuros:

ajustar o modelo HDM-4 para a realidade das condições operacionais em minas

através da determinação do fator de calibração pela metodologia de comparação

entre o consumo de combustível medido e estimado;

estimar a resistência ao rolamento através do modelo HDM-4 considerando a

textura e deflexão das vias, sendo estes, dados obtidos numa campanha de ensaios

de campo específica para minas;

comparar os resultados de resistência ao rolamento obtidos pelo modelo HMD-4

com os resultados qualitativos e quantitativos como a de Thompson (1996) e

outros autores encontrados na literatura;

avaliar a influência da rugosidade das estradas de mina no consumo de

combustível dos caminhões fora-de-estrada;

determinar o nível ótimo de rugosidade que as estradas de mina devem possuir

para o trânsito de caminhões fora-de-estrada autônomos, com foco na segurança e

economicidade da atividade de transporte;

avaliar a influência da composição litológica dos acessos na rugosidade da

superfície dos mesmos, de modo que se indique o material adequado e quais

parâmetros de controle devem ser levados em consideração para manter regular a

rugosidade da via. Isso permitiria estabelecer intervalos de frequência de

135

manutenção dos acessos, que geralmente é realizada a todo instante, o que

aumenta os custos nesta atividade;

modelar matematicamente a velocidade média teórica que o caminhão fora-de-

estrada pode desenvolver, considerando fatores geométricos como curvas,

estreitamento de pista e forças resistivas, de modo a controlar, com mais precisão,

a produtividade e custos de transporte.

136

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142

APÊNDICE A

Coeficiente de resistência ao rolamento ao longo das estradas das minas 1 e 2

Figura A.1 – Coeficiente de resistência ao rolamento ao longo da estrada A, pertencente à mina 1.

Figura A.2 – Coeficiente de resistência ao rolamento ao longo da estrada B, pertencente à mina 1.

0

1

2

3

0,0

0

0,2

0

0,4

0

0,6

0

0,8

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4,6

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5,0

2

5,2

2

5,4

2Co

efic

ien

te d

e re

sist

ênci

a

ao r

ola

men

to (

%)


Caminhão carregado Caminhão vazio

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1

2

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0,0

0

0,2

0

0,4

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0,6

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0,8

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1,0

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1,2

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1,4

0

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3,4

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3,6

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3,8

0

4,0

0

Coef

icie

nte

de

resi

stên

cia

ao r

ola

men

to (

%)



143

Figura A.3 – Coeficiente de resistência ao rolamento ao longo da estrada C, pertencente à mina 2.

Figura A.4 – Coeficiente de resistência ao rolamento ao longo da estrada D, pertencente à mina 2.

Figura A.5 – Coeficiente de resistência ao rolamento ao longo da estrada E, pertencente à mina 2.

0

1

2

3

0,0

0

0,2

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0,4

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0,6

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4,6

0

4,8

0

Co

efic

ien

te d

e re

sist

ênci

a

ao r

ola

men

to (

%)



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00,2

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01,8

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02,4

02,6

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04,2

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icie

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de

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%)



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1,8

0

2,0

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2,2

0

2,4

0

2,6

0

2,8

0

3,0

0

3,2

0

3,4

0

3,6

0

3,8

0

4,0

0

Coef

icie

nte

de

resi

stên

cia

ao r

ola

men

to (

%)



144

APÊNDICE B

Desenho de perfil das estradas das minas 1 e 2 com trechos subdivididos

Figura B.1 – Estrada B subdivida em trechos em função da variabilidade da inclinação da via.

Figura B.2 – Estrada C subdivida em trechos em função da variabilidade da inclinação da via.

A

G

F

E

D

C

B

H I

Q

J

K

Y

L

M

S N O

P

R X V

U

T

W

A

B

C D

E

F

G H

I

J

K

L

M

N

O P Q R

145

Figura B.3 – Estrada D subdivida em trechos em função da variabilidade da inclinação da via.

Figura B.4 – Estrada D subdivida em trechos em função da variabilidade da inclinação da via.

A B

C

G F

E D

K

J I

H

M N

L

O Q

P

A

D

C B

G

F

E

I

H

J K

146

ANEXO A

Resultados qualitativos da rugosidade da superfície das estradas das minas 1 e 2

Figura A.1 – Condição funcional da estrada A pertencente à mina 1 (ITV, 2018).

Figura A.2 – Condição funcional da estrada B, pertencente à mina 1 (ITV, 2018).

Lado esquerdo Lado direito

Trilha de roda externa Trilha de roda externa

Trilha de roda interna Trilha de roda interna

0,55%

69,18%

23,49%

4,04% 2,75%

0,37%

75,23%

21,28%

1,83%1,29%

0,37%

70,45%

22,75%

4,22%2,20%

53,58%37,80%

4,58% 4,04%




3,19%

54,55%27,76%

8,60%5,90%

0,49%

57,01%26,04%

10,32%6,14%

1,23%

52,82%27,03%

8,85%

10,07%

0,74%

50,61%

28,99%

9,83%

9,83%

147

Figura A.3 – Condição funcional da estrada C, pertencente à mina 2 (ITV, 2018).

Figura A.4 – Condição funcional da estrada D, pertencente à mina 2 (ITV, 2018).




0,00%

45,29%

37,07%

11,62%6,01%

0,20%

46,29%

38,08%

9,42%6,01%

0,00%

41,48%

41,48%

11,22%5,81%

0,00%

42,69%

36,07%

11,02%

10,22%




0,72%

58,48%27,87%

7,47%5,46%

1,15%

66,10%

23,99%

5,17%3,59%

2,73%

68,53%

23,13%

3,45%2,16%

1,44%

62,50%

25,00%

7,18%3,88%

148

Figura A.5 – Condição funcional da estrada E, pertencente à mina 2 (ITV, 2018).




23,54%

38,11%

20,87%

17,48%

23,79%

39,08%

16,75%

20,39%

28,16%

37,62%

13,35%

20,87%

22,82%

38,35%

15,53%

23,30%

Documents

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Escola de Minas da … · 2020. 2. 20. · custos de operação que incluem os de manutenção de vias e os de operação dos caminhões fora-de-estrada