IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE GESTÃO DA CONSERVAÇÃO DE PAVIMENTOS PARA O MUNICÍPIO DE OLIVEIRA DO HOSPITAL SUSANA MENESES ASSISTENTE, ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA E GESTÃO DE OLIVEIRA DO HOSPITAL, INSTITUTO POLITÉCNICO DE COIMBRA ADELINO FERREIRA PROFESSOR AUXILIAR, DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL, UNIVERSIDADE DE COIMBRA, PORTUGAL RESUMO Neste artigo é descrita a implementação de um Sistema de Gestão da Conservação de Pavimentos para a cidade de Oliveira do Hospital. A qualidade dos pavimentos é avaliada através do índice PSI (Present Serviceability Index), representando o estado do pavimento, determinado em função dos parâmetros irregularidade longitudinal, rodeiras, fendilhamento, pele de crocodilo, covas, peladas, e reparações. O Sistema de Apoio à Decisão utiliza um modelo de programação das acções de conservação e reabilitação, baseado num modelo determinístico de previsão da evolução do estado dos pavimentos. Para produzir saídas cartográficas da informação armazenada na Base de Dados Rodoviária e da informação produzida pelo sistema é utilizado um Sistema de Informação Geográfica. 1. INTRODUÇÃO A implementação do Sistema de Gestão da Conservação de Pavimentos para a cidade de Oliveira do Hospital tem como objectivo ajudar os engenheiros rodoviários municipais nas suas actividades de gestão da conservação dos pavimentos. O sistema inclui as seguintes componentes: Base de Dados Rodoviária; Sistema de Avaliação da Qualidade dos pavimentos; Sistema de Custos; Modelos de Previsão do Comportamento dos pavimentos; Sistema de Apoio à Decisão de programação das acções de conservação (Figura 1). A qualidade dos pavimentos é avaliada através do índice PSI (Present Serviceability Index), representando o estado do pavimento, determinado em função dos parâmetros irregularidade longitudinal, rodeiras, fendilhamento, pele de crocodilo, covas, peladas, e reparações. O Sistema de Apoio à Decisão (SAD) utiliza um modelo de programação das acções de conservação e reabilitação baseado num modelo determinístico de previsão da evolução do estado dos pavimentos. Para produzir saídas cartográficas da informação armazenada na Base de Dados Rodoviária e da informação produzida pelo sistema é utilizado um Sistema de Informação Geográfica. OBSERVAÇÃO DOS PAVIMENTOS CATÁLOGO DE PATOLOGIAS SGP Oliveira do Hospital BASE DE DADOS RODOVIÁRIA MODELOS DE COMPORTAMENTO SISTEMA DE AVALIAÇÃO DA QUALIDADE ACÇÕES DE CURTO PRAZO SISTEMA DE APOIO À DECISÃO CUSTOS PLANO DE CONSERVAÇÃO RELATÓRIO ORÇAMENTAL RELATÓRIO DE QUALIDADE Figura 1 – Estrutura do Sistema de Gestão de Pavimentos 2. BASE DE DADOS RODOVIÁRIA A definição dos dados a armazenar na Base de Dados Rodoviária (BDR) é uma das tarefas mais importantes, já que a informação recolhida constitui o elemento mais oneroso de qualquer Sistema de Gestão de Pavimentos (SGP). Os critérios que serviram de base à definição dos grupos de dados foram: a relevância dos dados; a sua fiabilidade; e a facilidade de aquisição. A BDR é constituída pelos seguintes grupos de dados: identificação e referenciação dos trechos rodoviários; classificação das vias; história dos pavimentos; caracterização do tráfego; caracterização das condições climáticos; obras de construção e conservação; acções de conservação; avaliação da qualidade dos trechos; e dados resultantes da aplicação do sistema. A auscultação dos pavimentos foi efectuada recorrendo a uma ficha de observação (Figura 2) e utilizando o seguinte equipamento: 1 fita de 30 metros; 1 réguas de 1,5 metros; 1 régua de 20 centímetros; 1 roda de medição de distâncias; e 1 máquina fotográfica digital [1]. Nome do observador: Trecho n.º: Data da observação: …../...../..... Material Estrada: Data de construção: Classe da estrada: Data da última reabilitação: …../...../..... Classe de tráfego: TMDA: …../...../..... Regularização Base TMDAp: Sub-base Comprimento médio do trecho: Leito do pav. Largura média do trecho: Distância (m) 0 Espessura (m) Desgaste Estrutura do pavimento: 10 20 30 40 50 60 70 CBR= 80 90 % 100 Fendilhamento Pele de crocodilo Covas Peladas Def. localizadas Rodeiras Reparações Irregularidade Aderência Figura 2 - Ficha de observação dos pavimentos 3. SISTEMA DE AVALIAÇÃO DA QUALIDADE A qualidade dos pavimentos é avaliada através do índice PSI (Present Serviceability Index), que representa o estado do pavimento, determinado em função dos parâmetros irregularidade longitudinal, rodeiras, fendilhamento, pele de crocodilo, covas, peladas, e reparações. O cálculo do PSI é efectuado através da equação utilizada no Sistema de Gestão de Pavimentos de Lisboa [2,3,4], e que foi obtida a partir da equação utilizada no SGP do Nevada DOT [5], a equação (1). Para cada trecho rodoviário é utilizado um programa informático que calcula os valores dos parâmetros de qualidade, incluindo o valor do índice global de qualidade PSI. Este índice global varia entre 0,0 e 5,0, com 0,0 para um pavimento em muito mau estado e 5,0 para um pavimento em muito bom estado. De acordo com a experiência na utilização deste índice, verifica-se que um pavimento novo dificilmente ultrapassa o valor 4,6. Por outro lado, não é geralmente aceite que os pavimentos atinjam valores inferiores a 2,5 por se considerar que não apresentam qualidade suficiente para a circulação dos veículos em condições de segurança e conforto. PSI 0 = 5 ⋅ e −0.000065 ⋅IRI0 − 0.000535 ⋅ R0 − 0.21⋅ (C0 + S 0 + Pa 0 ) 0.5 2 (1) onde: IRI0 é o valor da irregularidade longitudinal do pavimento no ano 0, ano da observação dos pavimentos (mm/km); R0 é a profundidade média das rodeiras no ano 0 (mm); C0 é a área com fendilhamento e pele de crocodilo no ano 0 (m2/100m2); S 0 é a área com desagregação superficial de materiais (covas e peladas) no ano 0 (m2/100m2); Pa 0 é a área com reparações no ano 0 (m 2/100m2). Na Figura 3 pode ver-se um mapa com a avaliação da qualidade dos pavimentos da rede rodoviária do Município de Oliveira do Hospital. Em cada trecho rodoviário que foi observado é representado o valor do parâmetro de qualidade PSI. No Quadro 1 apresentam-se os valores dos parâmetros de qualidade, incluindo o valor do PSI, para quatro trechos da rede rodoviária de Oliveira do Hospital. EN 2 231- Felgueira Velha EN 2312 Pedras Ruivas 1309 09 CM 13 CM CM CM 1 131 2 1 1CM 131 23 EN CM 1-2 EN 23 13 10 Vale Torto 5051 1 131 Póvoa EM EN 231 -2 Seixas Seixo da Beira EM 5 50 5 50 EM Sobreda 505 EM 50 7-1 EM Aldeia Formosa Vila Franca da Beira CM EM 507-1 PóvoadeSãoCosme 131 2 CM 2312 0 23 EN Ervedal da Beira Fiais da Beira 230 EN 230 EN EN 2312 230 EM EN 230 EN 0 23 23 0 EN EN EN à EN EM N àE 0 23 N EN E23 0 EN 337 CM 13 13 0 23 Lagares EM CM EM 50 2 EM 2 50 EN EN Travanca de Lagos 23 0 0 23 Quinta do Poeiro EN Zambujeira EM 503 0 23 1314 EM E M 5 0 3 Nogueirinha Lagos da Beira EM 5031 Vendas de Gavinhos 50 2-1 Gavinhos de Cima EM 503 23 3 0 50 EN 230 EM EM 503 EN 3-2 50 EN 0-6 23 EN 6 Bobadela 230EN 2306 EN 0-6 23 0-6 23 EM EN Senhora da Luz EN 3-1 50 503 13 14 Lageosa EM Gavinhos de Baixo EM CM CM 50 3-1 EN 23 0 EM Negrelos Meruge à EN EM 504 EM 50 4-3 EM 504 Va ria nt e EM 502 504 EM 503 1313 Valeirinho 23 0 E 50 M 5 2 0 2 Andorinha EM 7 50 23 0 nte ria Va 337 230 7-1 50 7 50 EM Va ria nt e Var iant e à EN EN 230 12 13 EN 17 Chamusca da Beira 50 9 EM 510 São Paio de Gramaços EM CM 1316 EN 17 São Pedro CM 1322 51 7 51 4 EM 50 6 EM 17 EN 51 4 EM EM 514 51 4 EM 2.0<PSI<2.5 Ponte das Três Entradas 50 8 23 0 Alvoco das Várzeas EN 23 0 EM EN 230 230 EN 508 EM 230 EN 342 EN 230 EN EN 230 EN 230 Parente 0 23 EM EN 23 0 EM 51 7 EN 230 1.5<PSI<2.0 Alentejo EM 514 EN 2 EN 34 Rio de Mel Parceiro Levadas 0 23 34 2 1.0<PSI<1.5 Carvalha Formarigo Moita EN 0 EN 23 São Gião São Sebastião da FeiraMerujais Santa Ovaia 230 0 23 N Pouca da Beira EVila EN 17 17 Vendas de Galizes EN 230 0.5<PSI<1.0 5 51 17 50 9 EM EN EN 17 EN 5 51 EM 514 Santo António do Alva EN Galizes Pombal Campo 1322 CMRedonda EM Caldas de São Paulo Malha Pão 06 13 EM 514 Penalva de Alva EM 17 EN 23 13 CM CM CM 132 31323 1323 CM 517 EM 22 13 9 50 CM Lourosa 17 517 Quinta do Seixal EN 7 51 EM Vilela CM 06 13 EM Pinheirinho EN 17 Quintas da Meda EN CM 1323 Cabeçadas 17 EM 514 EM 506 Senhor das Almas Quinta Vale Dona Clara EM 17 CM Casal do Abade EN Cavadinhas EM 514 13 06 CM Nogueira do Cravo 13 06 EM 506 EM 506 EM 510 EM 510 Catraia de São Paio Portela Aldeia de Nogueira EN CM 130 6 Gramaços EM 51 0 Fangela CM 0<PSI<0.5 4 EM 51 QuintadaCosta EN 17 Póvoa das Quartas EN OliveiradoHospital EM 508 Aldeia das Dez 2.5<PSI<3.0 Avô Avelar Digueifel EM 8 50 Chão Sobral EM 508 3.0<PSI<3.5 Vale de Maceira 8 50 508 EM EM Goulinho EM 3.5<PSI<4.0 508 EM 508 Gramaça PSI>4.0 Figura 3 - Avaliação do estado superficial dos pavimentos betuminosos 4. SISTEMA DE APOIO À DECISÃO DE CONSERVAÇÃO O Sistema de Apoio à Decisão (SAD) é constituído pelas componentes apresentadas na Figura 4: o objectivo da análise; os dados e os modelos; as restrições; e os resultados. Antes de correr o programa informático correspondente ao SAD o gestor da rede tem que definir qual o objectivo que pretende utilizar para a definição das acções de conservação e reabilitação dos pavimentos da rede, carregar os dados sobre os pavimentos da rede, escolher os modelos a utilizar e definir quais as restrições que pretende que sejam verificadas. Este SAD utiliza um modelo de optimização da conservação e reabilitação da rede rodoviária que permite definir as acções de conservação a aplicar a cada trecho rodoviário em cada ano do período de análise [6,7,8]. O SAD utiliza o modelo de comportamento dos pavimentos definido pela equação (2), que é o modelo utilizado no método de dimensionamento de pavimentos flexíveis da AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials [9]. Este método de dimensionamento de pavimentos é o mais utilizado na América do Norte e é provavelmente uns dos mais utilizados a nível mundial [10]. Objectivo a) Minimização dos custos totais (construção; conservação; custos para os utentes; valor residual dos pavimentos ) b) Maximização da qualidade c) Etc. Dados e modelos Número de anos do período de análise Taxa de actualização do capital Largura, comprimento e espessura das camadas dos pavimentos Qualidade actual dos pavimentos Modelos de comportamento dos pavimentos Acções de conservação e respectivos custos unitários Modelo de cálculo dos custos para os utentes Modelo de cálculo do valor residual dos pavimentos Valor dos níveis mínimos de qualidade Valor dos orçamentos anuais Restrições Verificação dos níveis mínimos de qualidade Utilização de acções de conservação adequadas a cada estado dos pavimentos Não ultrapassar o orçamento em cada ano Verificar o número máximo de intervenções durante o período de análise Resultados Plano de conservação e reabilitação multianual Relatório de custos Relatório da qualidade estrutural e funcional dos pavimentos Figura 4 – Componentes do Sistema de Apoio à Decisão ∆PSI t log10 4.2 − 1.5 Dim log 10 ( N 80t ) = Z R × S 0 + 9.36 × log 10 ( SN t + 1) − 0.20 + + 1094 0.40 + ( SN t + 1)5.19 (2) + 2.32 × log10 (M Rt ) − 8.07 N SN t = ∑ H nt ⋅ Cne ⋅ C nd (3) n =1 COVt = 0.39904 − 0.03871 ⋅ PSI t + 0.00709 ⋅ PSI t2 − 0.00042 ⋅ PSI t3 VT +1 = Crehab ⋅ PSI T +1 − 2.5 PSI rehab − 2.5 N 80Dim = 365 ⋅TMDA p ⋅ t (1 + tc)Yt − 1 ⋅α tc (4) (5) (6) onde: N 80Dim é o número acumulado de eixos padrão de 80 kN no ano t e na via mais solicitada, t desde a construção ou da última reabilitação; ZR é o desvio padrão; S0 é o erro padrão combinado relativo à previsão do tráfego e desempenho dos pavimentos; SN t é o número estrutural do pavimento no ano t e é obtido através da equação (3); ∆PSI t é a diferença entre o valor do PSI no ano da construção ou da última reabilitação e o PSI no ano t; MR é o módulo de deformabilidade do solo de fundação; H nt é a espessura da camada n no ano t (mm); Cne é o coeficiente estrutural da camada n; Cnd é o coeficiente de drenagem da camada n; COVt são os custos de operação dos veículos no ano t (€/km/veículo); PSI t é o índice de qualidade do pavimento (Present Serviceability Index) no ano t; VT +1 é o valor residual do pavimento no ano T+1; Crehab é o custo da última acção de reabilitação aplicada ao pavimento; PSI T +1 é o valor do PSI do pavimento no ano T+1; PSI rehab é o valor do PSI posterior à aplicação da última acção de reabilitação aplicada ao pavimento; TMDAp é o tráfego médio diário anual de veículos pesados no ano de abertura ou no ano seguinte à última reabilitação, por sentido e na via mais solicitada; tc é a taxa média de crescimento anual do tráfego pesado; Yt é a idade do pavimento desde a construção ou da última reabilitação (anos); α é o factor de agressividade do tráfego. 5. RESULTADOS DA APLICAÇÃO DO SGP O SGP foi aplicado no planeamento da conservação de parte da rede rodoviária de Oliveira do Hospital. A informação necessária para correr esta aplicação foi extraída da Base de Dados Rodoviária que entretanto foi constituída. Como nível mínimo de qualidade (NMQ) foi considerado o valor 2,5 para o parâmetro designado por PSI. Nos gráficos seguintes apresentam-se três soluções de conservação dos pavimentos. A primeira solução, designada por solução inicial, é definida apenas pelo nível mínimo de qualidade em termos de PSI. Ou seja, quando determinado pavimento atinge um valor de PSI de 2,5 é activada uma determinada intervenção correctiva de conservação. Esta solução é definida com base numa política correctiva das patologias dos pavimentos e não numa política preventiva, mais adequada a médio/longo prazo. A segunda solução, designada por solução final optimizada pela minimização dos custos de conservação, é determinada pelo SAD tendo como objectivo minimizar os custos de conservação dos pavimentos de toda a rede rodoviária durante o período de análise de 20 anos. A terceira solução, designada por solução final optimizada pela minimização dos custos totais, é determinada pelo SAD considerando, além dos custos de conservação, também os custos de operação dos veículos e o valor residual dos pavimentos. Nas duas últimas soluções de conservação são definidas intervenção preventivas originando menores custos durante o período de análise. Com o objectivo de se analisarem os resultados da aplicação do SGP foram escolhidos quatro trechos rodoviários tendo em conta quatro estados de conservação diferentes no ano inicial. No Quadro 1 apresentam-se os atributos desses quatro trechos rodoviários. No Quadro 2 estão representadas as intervenções de conservação a aplicar nos quatro trechos rodoviários referidos anteriormente, para cada uma das estratégias de conservação, correspondendo a definir as intervenções pelo NMQ, pela minimização dos custos de conservação e pela minimização dos custos totais, respectivamente. Na Figura 5 está representada a evolução do índice PSI ao longo dos anos para um trecho pertencente à Estrada Municipal 504, podendo ser feito o mesmo para cada um dos restantes trechos. Para este trecho, que se encontra em mau estado (PSI = 1,40), considerando a solução inicial, aparece a intervenção 2 (colocação de uma membrana anti-propagação de fendas + aplicação de 5 cm de betão betuminoso em camada de desgaste) logo no ano 0 correspondendo a uma intervenção correctiva devido ao PSI ser inferior a 2,5 (Quadro 2 e Figura 5). Em termos de custos, para um período de análise de 20 anos, resulta um custo de conservação de 226682,4 €, um custo de operação dos veículos de 33483753,7 e um valor residual de 110921,0 €. Verifica-se que a mesma solução foi obtida pela minimização dos custos de conservação. Isto acontece porque o tráfego é reduzido, fazendo com que a curva de evolução do PSI não volte a atingir o NMQ. Considerando a solução final optimizada pela minimização dos custos totais, aparece a intervenção 2 nos anos 0 e 19 correspondendo a primeira a uma intervenção correctiva e a segunda a uma intervenção preventiva (Quadro 2 e Figura 5). Quadro 1 - Atributos dos trechos rodoviários Trechos Atributos Trecho_ID Classe_via Comprimento (m) Largura (m) CBR_leito_pavimento Esp._camadas_ligadas (m) Número_estrutural Idade (anos) TMDA TMDA_pesados Taxa_crescimento Factor_agressividade_tráfego Perc_Fendilhamento (%) Perc_PeleCrocodilo (%) Perc_Covas (%) Perc_PerdaMatSuperficial (%) Perc_Reparações (%) Prof_Média_Rodeiras (mm) Perc_Fendilhamento (%) IRI (mm/km) PSI EM 506 EM 508 EM 509 EM 504 3015060016 Dist. local 400,00 5,00 20 0,26 2,14 1 500 100 0,02 2,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 2000 4,39 3025080001 Dist. local 3300,00 5,00 20 0,26 2,14 2 300 50 0,02 2,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 5500 3,50 3055090011 Dist. local 3100,00 5,00 20 0,28 2,54 15 1500 200 0,02 2,00 21,00 0,00 20,00 22,00 0,00 0,00 0,00 3500 2,32 3015040006 Dist. local 5100,00 5,00 20 0,28 2,54 8 3000 300 0,02 3,00 3,92 70,59 28,00 71,00 50,00 0,00 0,00 5500 1,40 Quadro 2 – Intervenções de conservação para o período de análise de 20 anos Intervenções definidas apenas pelo NMQ Ano Trecho PSI0 EM 506 EM 508 EM 509 EM 504 4,39 3,50 2,32 1,40 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 4 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1 1 6 1 1 1 1 1 7 1 1 1 1 1 8 1 1 1 1 1 9 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1 1 6 1 1 1 1 1 7 1 1 1 1 1 8 1 1 1 1 1 9 1 1 1 1 1 5 1 1 1 6 1 2 1 7 1 1 1 8 1 1 1 9 1 1 Intervenções definidas pela minimização dos custos de conservação Ano Trecho PSI0 EM 506 EM 508 EM 509 EM 504 4,39 3,50 2,32 1,40 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 4 1 1 1 1 Intervenções definidas pela minimização dos custos totais Ano Trecho PSI0 EM 506 EM 508 4,39 3,50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 3 1 1 1 4 1 1 EM 509 2,32 EM 504 1,40 Legenda: 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 - Conservação corrente 2 - Colocação de uma membrana anti-propagação de fendas + aplicação de betão betuminoso (5 cm) Solução inicial definida pelo NMQ Solução final optimizada (Min CC) Solução final optimizada (Min CC+COV-VR) 5,0 4,5 4,0 PSI 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Ano Figura 5 - Evolução do PSI para o trecho 3015040006 da EM 504 Em termos de custos, para um período de análise de 20 anos, resulta um custo de conservação de 345138,5 €, um custo de operação dos veículos de 33470661,7 e um valor residual de 346319,8 €. Em termos de custos totais estes passam de 33599515,1 € (solução inicial) para 33469480,4 € (solução final optimizada pela minimização dos custos totais), ou seja há uma redução de 130034,7 €. Ou seja, gasta-se mais 118456,1 € em conservação deste trecho mas poupa-se 13092,0 € em operação dos veículos que circulam neste trecho e ganha-se 235398,8 € no valor residual do pavimento no fim do período de análise. 6. CONCLUSÕES Este Sistema de Gestão da Conservação de Pavimentos constitui uma ferramenta de ajuda aos Engenheiros Rodoviários na tomada de decisões de conservação dos pavimentos. O sistema será posteriormente aplicado a toda a rede rodoviária de Oliveira do Hospital. No futuro poderão ser efectuadas algumas modificações ao sistema de modo a corresponder melhor às necessidades da Câmara Municipal de Oliveira do Hospital. AGRADECIMENTOS Os autores deste estudo agradecem à Fundação para a Ciência e Tecnologia o apoio financeiro disponibilizado através do Projecto POCTI/ECM/46461/2002 - “A Deterministic SegmentLinked Pavement Management System”, comparticipado pelo Fundo Comunitário Europeu FEDER. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Menezes, S. - "Implementação de um Sistema de Gestão de Pavimentos Rodoviários para o Município de Oliveira do Hospital". Versão não definitiva da tese de Mestrado em Engenharia Urbana. Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Coimbra, 2004. [2] Picado-Santos, L., Ferreira, A., Antunes, A., Carvalheira, C., Santos, B., Bicho, M. H., Quadrado, I., Silvestre, S. - "The Pavement Management System for Lisbon", Municipal Engineer, Institution of Civil Engineers, Vol. 157, Issue ME3. 2004. 157-165. [3] Santos, B., Picado-Santos, L., Antunes, A., Ferreira, A., Carvalheira, C., Bicho, M. 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