Florianópolis - Santa Catarina - Brazil
April 3rd to 7th - 2011
Weigh-in-motion on bridges
Aleš Žnidarič - [email protected]
Slovenian National Building and Civil Engineering Institute, Ljubljana, Slovenia
Abstract
The use of bridges to weigh trucks in motion, B-WIM, has developed considerably since first
emerging in the late 1970's. Firstly, the late 1990’s reinitiated developments into B-WIM through the
European Commission projects COST 323 and WAVE. Then, with the new century, a commercially
available system, SiWIM, emerged and has been constantly updated and improved since then. In its
developments the main focus has been put on higher accuracy and reliability of results, on successful
installations on new types of structures (slab, beam/deck, box girder and orthotropic deck bridges) and
on Nothing-On-Road (NOR) or Free-of-Axle Detector (FAD) installations. Although slightly less
accurate than the axle detector installations, the NOR ones are nowadays applied in the great majority
of cases. Their main advantage is having no equipment in contact with the vehicle tyres. Subsequently,
installation and maintenance procedures are much faster, without disturbing the traffic, and are
exceptionally durable. A wide range of field trials have been completed in recent years and new
applications continue to emerge. Continuous efforts were also put to enhance the SiWIM electronics
and to include features, such as traffic cameras, licence plate recognition system, alternative sources of
power (solar and fuel cells), remote access to any system in the network, mobile phone and portable
device applications, etc.
In parallel to these practical developments many new algorithms were being developed, with the main
focus to increase accuracy of measurements. The traditional algorithm results in a set of simultaneous
equations in the axle weights which in ideal situations is easy to solve. However, it often causes
considerable problems and instability of results as the equations may become ill-conditions. Several
alternatives have been attempted, including numerical techniques such as Tikhonov Regularization.
Two-dimensional algorithms have also been worked on, to be used particularly on flexible
superstructures like the orthotropic steel decks, and have good potential though there are issues
surrounding comprehensive calibration on site. A number of authors have developed approaches
which consider the dynamics of the system. The most sophisticated of these has been a series of
studies on what is referred to as Moving Force Identification (MFI). MFI seeks to calculate the
complete time history of the axle or wheel forces applied to the bridge. This theoretically should lead
to excellent accuracy in static weight, but is at present too demanding for real-time weighing of
random traffic on a site.
B-WIM has been used today in around 20 countries around the world. In addition to the SiWIM
system that is in operation or was used in over 15 countries, alternatives exist in Japan, Australia and
Korea. Several universities around the world are also performing research in B-WIM.
The primary application of B-WIM is the same as for the pavement WIM systems: collection of traffic
information for traffic studies, pavement management (design and reconstruction) and in some cases,
for pre-selection for overloading. In addition, more and more measurements are dedicated to bridges,
either to use the data to design or update the bridge load models (primarily for assessments but also for
design), or to develop site specific load models that are the most optimal way of involving traffic
loading in assessment of existing, usually old and deteriorated bridges. Recent research (European
Commission projects SAMARIS and ARCHES) have demonstrated that the dynamic amplification
factor, DAF, which is the amplification of the static loading due to the bridge vibrations under the
traffic loading, is considerably lower than it is accounted for in the bridge design codes. While such
excessive DAF in the design stage can be advantageous as it can compensate for the unknown
increases of loading during the lifetime of the bridge, it may result in unnecessary rehabilitation
measures if it is applied as a part of bridge assessment procedures. In order the assessment to be
optimal, all loadings, including DAF, need to be as realistic as possible. Hence, the SiWIM system
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was adapted to measure DAFs for all vehicles crossing the measured bridges.
A disadvantage of the current B-WIM is that, while rather easy to install on typical bridges, it requires
specific knowledge about bridges that can behave in a rather unique way, for example because
locations of some structural elements or the traffic itself are to some extent specific. As a result, a new
generation of SiWIM systems is under development that will be much easier to use. Major
improvements will be made in the area of NOR, particularly in correct interpretation of axles from the
measured bridge responses, which are the key to accurate weighing results. Furthermore, the more
flexible structure of the new generation software will allow for inclusion of external algorithms, which
will have positive effects on accuracy of results, particularly on some specific types of structures
(orthotropic deck bridges) where the present algorithms are less efficient.
Keywords: Weigh-in-Motion, WIM, B-WIM, Bridge, NOR, FAD.
Pesagem em movimento em pontes
Resumo
O uso de pontes na pesagem de caminhões em movimento, B(Bridge)-WIM, se desenvolveu bastante
desde sua emergência, no final dos anos 70. Os desenvolvimentos em B-WIM foram retomados no
final dos anos 90, através dos projetos COST323 e WAVE, da Comissão Europeia. Então, com o novo
século, emergiu um sistema comercialmente disponível, o SiWIM, que tem sido desde então
constantemente melhorado. No seu desenvolvimento, o foco principal foi oferecer maior exatidão e
confiabilidade de resultados, na instalação em novos tipos de estruturas (viga, laje/deck, viga de caixa
e deck ortotrópico) e em instalações sem sensores instalados no pavimento, conhecidas em inglês
como Nothing-on-Road (NOR) ou Free-of-Axle Detector (FAD). Embora apresentem ligeiramente
menos exatidão do que as instalações que contam com detectores de eixos, as do tipo NOR são hoje
aplicadas na grande maioria dos casos. Sua maior vantagem é não ter nenhum equipamento em contato
com os pneus dos veículos. Em consequência, os procedimentos de instalação e manutenção são muito
mais rápidos, sem perturbação ao tráfego, e são excepcionalmente duráveis. Uma vasta coleção de
testes de campo foi completada em anos recentes, e novas aplicações continuam a aparecer. Contínuos
esforços foram também feitos para melhorar a eletrônica do SiWIM e para incluir feições tais como
câmeras de tráfego, sistema de reconhecimento de placas, fontes alternativas de alimentação elétrica
(solar e células de combustível), acesso remoto a qualquer sistema na rede, aplicações em telefones
celulares e outros aparelhos portáteis, etc.
Em paralelo a esses desenvolvimentos práticos, muito novos algoritmos foram sendo desenvolvidos,
com o foco principal em aumentar a exatidão das medidas. O algoritmo tradicional resulta num
conjunto de equações simultâneas nos pesos por eixo, o qual, em situações ideais, é fácil de resolver.
Todavia, frequentemente causa consideráveis problemas, já que as equações podem se tornar
condições mal definidas. Várias alternativas já foram tentadas, incluindo técnicas numéricas como a
Regularização Tikhonov. Algoritmos bidimensionais também foram trabalhados, para uso
particularmente em superestruturas flexíveis, como as do tipo deck ortotrópico de aço, e apresentam
bom potencial, embora haja questões envolvendo a calibração completa in situ. Numerosos autores
desenvolveram abordagens que consideram a dinâmica do sistema. A mais sofisticada delas foi uma
série de estudos sobre o que se denomina Identificação de Força em Movimento (Moving Force
Identification – MFI). A MFI busca calcular a completa história no tempo das forças de eixo ou roda
aplicadas à ponte. Isso, teoricamente, deve levar a uma excelente exatidão em relação à pesagem
estática, mas presentemente demanda recursos demais para a pesagem em tempo real do tráfego
randômico em um sítio.
Sistemas B-WIM já foram instalados em cerca de 20 países ao redor do planeta. Em adição aos
sistemas SiWIM que estão em operação ou já foram usados em mais de 15 países, sistemas comerciais
alternativos existem no Japão, Austrália e Coreia. Várias universidades no mundo todo estão também
realizando pesquisas sobre B-WIM.
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A aplicação primária do B-WIM é idêntica à dos sistemas WIM instalados no pavimento: coleta de
informação para estudos de tráfego, gerência de pavimentos (projeto e reconstrução) e, em alguns
casos, pré-seleção para a fiscalização de sobrepeso. Além disso, mais e mais medidas são dedicadas a
pontes, seja para usar os dados para projeto ou melhoria dos modelos de carga da ponte
(primariamente para avaliação, mas também para projeto), seja para desenvolver modelos de carga
específicos de um sítio, que representam a maneira mais próxima do ótimo de envolver o
carregamento do tráfego na avaliação de pontes existentes, usualmente antigas e deterioradas.
Pesquisas recentes (Projetos SAMARIS e ARCHES da Comissão Europeia) demonstraram que o fator
de amplificação dinâmica (dynamic amplification fator – DAF), que é a amplificação do carregamento
estático devido às vibrações da ponte sob o carregamento do tráfego, é consideravelmente mais baixo
do que é considerado nos códigos de projeto de pontes. Embora esse excessivo DAF considerado no
estágio de projeto possa ser vantajoso, uma vez que pode compensar os aumentos desconhecidos do
carregamento durante o tempo de vida da ponte, ele pode resultar em medidas desnecessárias de
reabilitação se aplicado como parte dos procedimentos de avaliação da ponte. Para que a avaliação
seja ótima, todos os carregamentos, inclusive o DAF, devem ser tão realísticos quanto possível. Em
consonância, o sistema SiWIM foi adaptado para medir DAFs de todos os veículos que cruzam as
pontes medidas.
Uma desvantagem dos sistemas B-WIM atuais é que, embora bastante fáceis de ser instalados em
pontes típicas, sua instalação requer conhecimento específico sobre pontes que possam se comportar
de uma forma peculiar, por exemplo, porque a localização de alguns elementos estruturais ou o
próprio tráfego podem ser, até certo ponto, peculiares. Como resultado, uma nova geração dos
sistemas SiWIM, que será muito mais fácil de usar, está em desenvolvimento. Grandes melhorias
serão introduzidas na área de NOR, particularmente quanto à correta interpretação dos eixos, a partir
da medida das respostas da ponte, que são a chave para resultados de pesagem exatos.
Adicionalmente, a estrutura flexível do software de nova geração permitirá a inclusão de algoritmos
externos, o que terá efeitos positivos sobre a exatidão dos resultados, particularmente em alguns tipos
específicos de pontes (pontes com tabuleiro ortotrópico, onde os algoritmos atuais são menos
eficientes).
Palavras-chave: Pesagem em movimento, WIM, B-WIM, Ponte, NOR, FAD.
References
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OBrien, A. OConnor, M. Bouteldja, LCPC Publications, Paris.
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