V JORNADAS LUSO-BRASILEIRAS DE PAVIMENTOS: POLÍTICAS E TECNOLOGIAS

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1 PROPOSTA PARA UTILIZAÇÃO DE LEVANTAMENTOS DEFLECTOMÉTRICOS NA OBTENÇÃO DO NÚMERO ESTRUTURAL CORRIGIDO DO PAVIMENTO () Dario Ramos Coordenador de Projetos Valéria Maria Sestini Gerente de Unidade Básica de Atendimento UBA Marlene dos Reis Araújo Diretora da Assessoria de Planejamento Departamento de Estradas de Rodagem do Estado de São Paulo São Paulo / Brasil Valter Prieto Assistente da Diretoria de Obras Departamento de Estradas de Rodagem do Estado de São Paulo São Paulo / Brasil FEI Faculdade de Engenharia Industrial São Bernardo do Campo / Brasil Escola de Engenharia Mauá São Caetano do Sul / Brasil Universidade Santa Cecília Santos / Brasil Carlos Yukio Suzuki Professor Doutor EPUSP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo São Paulo / Brasil FEI Faculdade de Engenharia Industrial São Bernardo do Campo / Brasil Consórcio Enger Dynatest Planservi - São Paulo / Brasil Ernesto Simões Preussler Mestre e Doutor André Felipe Vale Engenheiro Civil Antonio Carlos Oquendo Pereira Engenheiro Civil Caio Rubens Gonçalves Santos Engenheiro Civil Consórcio Enger Dynatest Planservi - São Paulo / Brasil SUMÁRIO O número estrutural do pavimento () é um parâmetro que reflete a sua respectiva capacidade de suporte quanto às ações do tráfego e corresponde à somatória do produto das espessuras das camadas pelos seus respectivos coeficientes estruturais. Neste trabalho apresenta-se para efeito comparativo os modelos matemáticos entre o número estrutural e os valores de deflexão máxima, de raio de curvatura e da área da bacia deflectométrica obtidos em campo durante o desenvolvimento do SGP no DER/SP empregando-se equipamento tipo FWD. A partir desses modelos é possível por método não destrutivo estimar a capacidade estrutural de pavimentos existentes e propor soluções de manutenção e restauração, frente às novas solicitações de tráfego.

2 1. INTRODUÇÃO O número estrutural de um pavimento representa o seu comportamento no que tange a sua capacidade de suporte frente às ações do tráfego. Por se tratar de um valor absoluto, sua referência é sempre um valor parametrizado em função das condições que se deseja para o pavimento. A concepção de número estrutural foi desenvolvida pela AASHTO e segue um procedimento de cálculo que envolve a consideração dos módulos de resiliência das camadas constituintes do pavimento e suas respectivas espessuras. A esse valor é adicionada uma parcela que representa a característica mecanicista do subleito, através do seu módulo de resiliência ou CBR, resultando no Número Estrutural Corrigido. A ação de cargas provenientes do tráfego sobre os pavimentos flexíveis provoca deformações verticais permanentes e recuperáveis. As deformações permanentes são aquelas que permanecem mesmo após cessar o efeito da atuação da carga, um exemplo disso são os afundamentos plásticos que ocorrem nas trilhas de roda. As deformações verticais recuperáveis caracterizam o comportamento elástico da estrutura, deixando de existir alguns momentos após a retirada da carga. A magnitude destas deformações é variável e depende da geometria do carregamento, do valor da carga, da pressão do pneu e da posição do ponto de medida em relação à posição da carga. Existem atualmente diversos equipamentos que medem estas deformações, neste estudo foi utilizado um deflectômetro tipo impacto, o Falling Weight Deflectometer-FWD. O FWD é um equipamento projetado para simular no pavimento o efeito produzido por uma carga de roda em movimento. Basicamente, a simulação da carga aplicada por um veículo trafegando sobre o pavimento é realizada pela queda de um conjunto de massas, a partir de uma altura pré-estabelecida, sobre um sistema de amortecedores de borracha, que transmitem a carga ao pavimento através de uma placa. Permite a medida e o registro automático das bacias de deformações geradas por diferentes níveis de cargas, temperatura do ar e da superfície do pavimento e, ainda, as distâncias percorridas. O equipamento é uma unidade montada sobre um reboque, com um conjunto modular de pesos de até 35 kg, capaz de produzir pulsos de carga variando de 7 a 15 kgf (pico), essencialmente de forma semi-senoidal, com duração de 5 a 3 mili-segundos, o que corresponde à velocidade de uma roda de a 8 km/h, sendo composto ainda de: célula de carga, instalada sobre a placa circular e carregamento (diâmetro de 3 cm), que mede a carga aplicada; sete deflectores sísmicos (geofones), montados alinhadamente sobre uma barra levadiça de 5 cm de comprimento, que medem a bacia de deformação. O objetivo principal deste estudo é estabelecer correlações matemáticas entre parâmetros deflectométricos provenientes de medidas com o FWD e o número estrutural corrigido do pavimento determinado matematicamente. Para tanto é utilizado o processo de retroanálise para se determinar os módulos de resiliência das camadas através das deflexões medidas. Paralelamente aos ensaios de campo, foram simuladas respostas deflectométricas para estruturas similares às encontradas no campo no programa Elsym5.

3 . MÉTODOS DE ENSAIOS Foram realizadas medidas de deflexão com o equipamento FWD em 7 segmentos de rodovias paulistas com 1 km de extensão a cada m. Além da deflexão máxima, foram registradas as deflexões afastadas de, 3, 5, 5, 9 e 1cm do ponto de aplicação de carga. Para a medição das deflexões com o equipamento FWD foi utilizado o procedimento DNER-PRO 73/9. A deflexão recuperável máxima (D ) é um parâmetro importante para a compreensão do comportamento da estrutura. Quanto maior seu valor, mais elástica ou resiliente é a estrutura, e maior o seu comprometimento estrutural. No entanto, a análise isolada de seu valor pode não esclarecer completamente a questão, já que nas estruturas de pavimentos distintas podem apresentar a mesma deflexão máxima, porém com arqueamentos diferenciados na deformada. A forma da deformada é de extrema importância numa avaliação estrutural. O raio de curvatura é um parâmetro indicativo do arqueamento da deformada na sua porção mais crítica, em geral considerada a 5 cm do centro da carga. A figura 1 a seguir mostra o arco parabólico. Um raio de curvatura baixo é indicativo de um severo arqueamento da deformada, denotando uma condição estrutural crítica.além destes dois parâmetros, é possível determinar a área da bacia deflectométrica. Figura 1 Raio de Curvatura A expressão de cálculo utilizada para a determinação do raio de curvatura é aquela preconizada pelo DNER-DNIT, em seu procedimento DNER ME-/9: R C 5 = ( D D ) 5 Onde: R C = raio de curvatura da bacia de deformação, em m; D = deslocamento vertical recuperável no centro de aplicação de carga, em 1 - mm; D 5 = deslocamento vertical recuperável situado a 5 cm do centro de aplicação de carga, em 1 - mm.

4 O parâmetro areia (S) da bacia de deformação foi calculado através da expressão apresentada a seguir, segundo as recomendações do guia da AASHTO []. As deflexões D foram obtidas por interpolação linear a partir dos dados de3flectométricos do geofones afastados a 5 e 5cm, medidos a partir do centro de aplicação de carga. D S = D 3 D + D D + D 9 Onde: S = Área (cm) D, D 3, D e D 9 = Deflexões às distâncias, 3, e 9cm, respectivament, do ponto de aplicação de carga A seqüência de cálculo apresentada abaixo foi desenvolvida pela AASHTO e é utilizada para a determinação do Número Estrutural Corrigido dos pavimentos neste estudo. ( log ) 1, 3 = SN + 3,5 logcbr,85 CBR SN = a h i i ; Onde: = Número Estrutural Corrigido do Pavimento; SN = Número Estrutural hi = espessura da camada i em polegadas; ai = coeficiente estrutural da camada i. CBR = Índice Suporte Califórnia do Subleito (CBR = E/1); Concreto Asfáltico (CA) E1 a1 =, log1 +, 3, < a1 <, Onde E 1 é o módulo de resiliência do revestimento (kgf/cm );

5 Base Cimentada E a =,51 log1 +,8 3,1 < a <,8 Onde E é o módulo de resiliência da base (kgf/cm ); Base Granular E a =,5 log1 +,11 1, < a <, Onde E é o módulo de resiliência da base (kgf/cm ); Sub-base Granular E3 a 3 =,3 log1 +,15 1, < a3 <, Onde E 3 é o módulo de resiliência da sub-base (kgf/cm ). RESULTADOS Foram analisados 7 trechos de rodovias com extensão de 1 km cada, pertencentes à malha rodoviária do DER/SP, com diferentes tipos de estruturas de pavimento, flexível e semi-rígido. Para a determinação do número estrutural corrigido, foi necessária a caracterização da estrutura de pavimento característica de cada trecho ensaiado. Para tanto foram executadas cavas com este intuito, determinando-se os tipos de materiais das camadas, espessuras e CBR do subleito. Os módulos de resiliência de cada camada dos pavimentos foram determinados a partir de retroanálise, utilizando-se das medidas de deflexões das bacias e das espessuras provenientes das cavas. A tabela 1 a seguir apresenta as camadas das seções de pavimento em estudo.

6 Tabela 1 Espessuras das camadas dos pavimentos. RODOVIA REVESTIMENTO BASE SUB-BASE MATERIAL h (cm) MATERIAL h (cm) MATERIAL h (cm) SP-55 CA 13, BGS 1, CASCALHO 17, SP-53 CA, SOLO BRITA 1, SAFL, SP-1 CA 3,5 MH 17, - - SP-93 CA 9, SC 11, - - SP-331 CA 5, SC 1, - - SP-315 TS, SC 1, - - SP-19/15 TS,5 SAFL 15, - - Onde: CA TS BGS MH SC SAFL = Concreto Asfáltico; = Tratamento Superficial; = Brita Graduada Simples; = Macadame Hidráulico; = Solo Cimento; = Solo Arenoso Fino Laterítico. Para a execução da retroanálise foi utilizado o software Elmod, que é um programa computacional específico para cálculo mecanicista e avaliação estrutural, desenvolvido pela Dynatest Inc.. Utilizando o arquivo proveniente do FWD, o programa calcula os módulos de resiliência através de dois processos de retroanálise. O primeiro leva em consideração apenas o ajuste do raio da bacia de deflexão. O segundo, mais complexo, calcula os módulos através do ajuste das bacias de campo e teórica (calculada). Para que se possa usufruir a máxima eficiência do programa, é necessário o cálculo através dos dois processos, sendo que o primeiro é essencial para a calibração das relações constituintes, e o segundo, para calcular de fato os módulos de resiliência. Os valores médios dos módulos de cada camada dos pavimentos calculados são apresentados na tabela a seguir. Cabe ressaltar que para as correlações entre o e as medidas deflectométricas foram utilizados todos os pontos medidos no trecho e não somente a média. Tabela Módulos de resiliência médios determinados por retroanálise. RODOVIA REVESTIMENTO BASE SUB-BASE SUBLEITO MATERIAL E 1 (kgf/cm ) MATERIAL E (kgf/cm ) MATERIAL E 3 (kgf/cm ) E (kgf/cm ) SP-55 CA BGS + CASCALHO SP-53 CA 3.31 SOLO BRITA 7.33 SAFL SP-1 CA 8. MH SP-93 CA SC SP-331 CA 5.8 SC SP-315 TS - SC SP-19/15 TS - SAFL

7 Onde: CA TS BGS MH SC SAFL = Concreto Asfáltico; = Tratamento Superficial; = Brita Graduada Simples; = Macadame Hidráulico; = Solo Cimento; = Solo Arenoso Fino Laterítico. Os dados foram analisados de acordo com o tipo de base do pavimento. Foram agrupados os resultados para base granular e base cimentada. O trecho do acesso SP-19/15, que contém base constituída de Solo Arenoso Fino Laterítico (SAFL), apresentou módulos de resiliência muito dispersos, portanto de acordo com os módulos de resiliência da base, estes trechos foram agrupados em um dos dois grupos, bases granular e cimentada. Trechos com bases de módulo de resiliência da ordem de 3. kgf/cm foram considerados de comportamento granular, enquanto bases de módulos mais altos foram admitidas como estruturas semi-rígidas = 57,9 D -,5 (Modelo HDM- para Base Granular) = 38,91 D -,5 (Modelo HDM- para Base Cimentada) =,19 D FWD -,135 R =, Deflexão Máxima (,1 mm) Figura Correlação Deflexão Máxima x para SP 19/15 (Base: SAFL) São propostas a seguir duas equações de correlação entre o e a Deflexão Máxima, uma para base granular e outra para base cimentada. Nos gráficos são apresentadas ainda as curvas de correlação propostas pelo HDM-. As figuras 3 e mostram as correlações para bases granular e cimentada, respectivamente.

8 = 57,9 D -,5 (Modelo HDM- para Base Granular) = 38,91 D -,5 (Modelo HDM- para Base Cimentada) = 38, D FWD -,1 R =, Deflexão Máxima (,1 mm) 1 Figura 3 Correlação Deflexão Máxima x para Base Granular = 57,9 D -,5 (Modelo HDM- para Base Granular) = 38,91 D -,5 (Modelo HDM- para Base Cimentada) = 15,53 D FWD -,517 R =, Deflexão Máxima (,1 mm) Figura Correlação Deflexão Máxima x para Base Cimentada. Nas figuras 5 e são mostradas as correlações alcançadas entre o (número estrutural corrigido) e o Raio de Curvatura (Rc), para as estruturas de base granular e as com base cimentada, respectivamente.

9 = 1,81 Ln(R C ) - 5,3 R =, Rc (m) Figura 5 Correlação Raio de Curvatura x para Base Granular =,81 Ln(R C ) - 1,83 R =, Rc (m) Figura Correlação Raio de Curvatura x para Base Cimentada. Nas figuras 7 e 8 são mostradas as correlações alcançadas entre o (número estrutural corrigido) e a Deflexão máxima e a Área da Bacia de Deformação, para as estruturas de base granular e as com base cimentada, respectivamente. Estão representadas as correlações para alguns valores de áreas da bacia (S).

10 1 1 S = cm S = 3cm S = cm S = 5cm S = cm S médio D (1 - mm) Figura 7 Correlação Deflexão máxima e Área da Bacia x para Base Granular. 1 1 S = cm S = 3cm S = cm S = 5cm S = cm Smedio D (1 - mm) Figura 8 Correlação Deflexão máxima e Área da Bacia x para Base Cimentada. A tabela 3 a seguir apresenta as equações propostas para correlação entre o e a deflexão máxima. Esta tabela mostra ainda os modelos propostos no HDM-, também para os dois tipos de base, granular e cimentada.

11 Tabela 3 Correlação entre e Deflexão Máxima. Tipo de Base Equações propostas R Modelos HDM- Granular = 38,9. D FWD -,1,899 = 57,9. D -,5 Cimentada = 15,53. D FWD -,517,55 = 38,91. D -,5 Foram estabelecidos também dois modelos para a determinação do número estrutural do pavimento através do raio de curvatura da deformada. Assim como na correlação entre a deflexão máxima e o, o modelo para bases cimentadas apresentou R bem menor do que o modelo para bases granulares. A tabela a seguir apresenta os dois modelos encontrados. Tabela Correlação entre e Raio de Curvatura (R C ). Tipo de Base Equações propostas R Granular = 1,81. Ln(R C ) - 5,3,831 Cimentada =,81. Ln(R C ) - 1,83,588 Apresenta-se ainda a equações para o em função da Deflexão máxima e a Área da Bacia de deformação na tabela 5 a seguir. Neste caso, a equação para os trechos de base granular também apresentou melhor R do que os trechos com base cimentada. As correlações entre a combinação de deflexão máxima e área da bacia e o apresentaram os maiores coeficientes de aproximação (R ). Tabela 5 Correlação entre, Deflexão máxima e Área da bacia de deformação (S). Tipo de Base Equações Propostas R Granular = 1 1,3 x D -,5819 x S,315,939 Cimentada = 1,733 x D -,518 x S,377,75

12 CONCLUSÕES O numero estrutural de um pavimento representa a capacidade portante que este possui para suportar as solicitações provenientes do tráfego. Sendo assim, se torna de grande utilidade conhecer este parâmetro nos projetos de restauração de pavimentos. Usualmente, os projetos de restauração têm como base levantamentos deflectométricos onde somente utiliza-se a deflexão máxima para estabelecimento das soluções de restauração. Neste estudo concluiu-se que existe uma boa correlação entre a deflexão máxima do pavimento e o número estrutural corrigido do mesmo. Mas é notoriamente conhecido o fato de que pavimentos com mesma deflexão máxima podem apresentar comportamento estrutural diverso, fato este claramente demonstrado pela comparação de bacias de deformação. Para suprir estas necessidades, procurou-se correlacionar o número estrutural corrigido do pavimento com outros parâmetros que representem mais adequadamente as características estruturais do pavimento. Foram utilizados, portanto outros parâmetros, o Raio de Curvatura e a Área da Bacia de Deformação. O Raio de Curvatura da bacia deformada, que apresentou também boas correlações com o, mostrou-se mais satisfatório para os trechos de base granular. As correlações do em função da deflexão máxima e da área da bacia apresentam-se como as melhores correlações, tanto para trechos de base granular, quanto para base cimentadas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials (198). AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. Washington DC/USA 1pp. [] AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials (1993). AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. Washington DC/USA. Chapter Design requirements pp II-5 II-7. [3] DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem (199). Método de Ensaio DNER-ME /9. Pavimentação Determinação das deflexões pela Viga Benkelman Norma Rodoviária. Rio de Janeiro, DNER. [] DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem (199). Procedimento DNER- PRO 73/9. Determinação de deflexões utilizando deflectômetro de impacto tipo Falling Weight Deflectometer (FWD) Norma Rodoviária. Rio de Janeiro, DNER. [5] JONHSTON, M. G. (1). Estudo de Obtenção de Número Estrutural em Pavimentos Flexíveis. Dissertação (Mestrado). Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre RS. [] PINTO, S. & PREUSSLER, E.S. (). Pavimentação Rodoviária: conceitos fundamentais sobre pavimentos flexíveis. Rio de Janeiro. ISBN