Resistência e Elasticidade de Materiais de Pavimentação

Transcrição

1 Universidade do Estado de Santa Catarina Pós-Graduação em Engenharia Civil Mestrado Acadêmico Resistência e Elasticidade de Materiais de Pavimentação Profa. Adriana Goulart dos Santos

2 COMPARAÇÃO ENTRE OS TIPOS DE ESTRUTURAS DE PAVIMENTOS Fonte: Google imagens, 2016

3 Os efeitos dos esforços externos aplicados por rodas de veículos, em termos de respostas estruturais, dependerão dos materiais que constituem as camadas de pavimentos As solicitações ocorridas nessas camadas são: Pressões ou tensões verticais (compressão vertical) Flexão (dobramento) Confinamento (compressão horizontal) Cisalhamento (com resultado das pressões verticais)

4 FLEXÃO Dobramento das camadas As cargas de rodas de veículos aplicadas sobre a superfície do pavimento e distribuídas entre as camadas subjacentes causam, na maioria dos materiais empregados em revestimentos e em bases (misturas asfálticas, concretos e materiais estabilizados com asfalto ou ligantes hidráulicos) Uma tendência de Dobramento das camadas Denominado de FLEXÃO

5 FLEXÃO Dobramento das camadas Os esforços de flexão são mobilizados para resistirem aos deslocamentos verticais impostos pelas cargas por meio da compressão atuante. A compressão vertical aplicada pelas cargas causa o afastamento entre as partículas (grãos) do material, ocasionando tração/compressão nas zonas de contato entre agregados e ligantes asfálticos ou hidráulicos. Fonte: Balbo, 2007 Ocasiona deformações plásticas ou microfissuras nessas zonas ===Levando o material a um estado de fadiga ou de ruptura.

6 CONFINAMENTO HORIZONTAL Contenção lateral Quando uma camada de material é limitada em sua face inferior ou superior por material de rigidez maior, ela se encontra como se estivesse travada entre as outras camadas. Há limitações para a sua mobilidade horizontal==== existindo uma contenção lateral do mesmo material. Fonte: Balbo, 2007

7 Compressão vertical e cisalhamento das camadas As pressões aplicadas sobre a superfície do revestimento do pavimento são dissipadas ao longo de sua profundidade e de suas camadas. Fonte: Balbo, 2007 Os esforços de compressão vertical vão diminuindo ao longo da profundidade do pavimento. Devido aos mecanismos de flexão e de confinamento ===quando as reações horizontais aos esforços transmitidos pelas cargas são mobilizadas.

8 Compressão vertical e cisalhamento das camadas Formação de bulbos de tensões pela aplicação das cargas: A redução de pressões é delimitada por linhas curvas de atuação de esforços == distribuição de parabólicas ou trechos de circunferências A compressão vertical dos materiais componentes das camadas mobiliza esforços de cisalhamento (resultantes do deslocamento ou escorregamento entre as partículas dos materiais) Fonte: Balbo, 2007 Fonte: Balbo, 2007 Escorregamento entre as partículas após compressão por cisalhamento

9 Compressão vertical e cisalhamento das camadas Com relação à grande maioria dos materiais de pavimentação, para os quais significativos esforços de cisalhamento verticais são mobilizados === o material em dado ponto transfere deformações ao ponto vizinho por forças cisalhantes A ocorrência de deformações plásticas cumulativas torna-se importante no decorrer do tempo===causando formações de trilhas de rodas nas zonas superficiais do pavimento, mais solicitadas pelo tráfego.

10 Compressão vertical e cisalhamento das camadas Tais problemas são decorrentes também pela plasticidade natural das camadas dos pavimentos, como solo e materiais granulares, ====deformação plástica total na superfície do pavimento é determinada pelo contribuição individual de cada camada. PROBLEMA DE DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS Definição das espessuras das camadas sobre o subleito, para que as pressões aplicadas sobre a sua superfície do pavimento e distribuídas ao longo dessa camada, chegassem ao subleito com taxas compatíveis, não excedendo sua capacidade de resistir a tais esforços verticais.

11 Resistência de um material diz respeito à medida do valor da força ou pressão que causa a sua ruptura, ou seja, que impõe um nível de deformação de ruptura do material Fonte: Balbo, 2007

12 Índice de Suporte Californiano (ISC) ou California Bearing Ratio (CBR) Criado em 1929 como alternativa de teste, em laboratório, simular as condições observadas em campo, fossem de umidade, fossem de massa específica após a compactação, fossem de carregamento. Para avaliar o potencial de ruptura do subleito, uma vez que era o defeito mais frequentemente observado nas rodovias do estado da Califórnia naquele período ===California Division of Highway===engenheiros Porter e Proctor; O ensaio foi concebido, portanto, para avaliar a resistência do material frente a deslocamentos significativos, sendo obtida por meio de ensaio penetrométrico em laboratório; Foram selecionados os melhores materiais granulares de bases de pavimentos com bom desempenho à época da pesquisa de campo californiana e a média de resistência à penetração no ensaio CBR foi estabelecida como sendo o valor de referência ou padrão, equivalente a 100%.

13 Índice de Suporte Californiano (ISC) ou California Bearing Ratio (CBR) A resistência no ensaio CBR é uma resposta que combina indiretamente a coesão com o ângulo de atrito do material; O CBR é expresso em porcentagem, sendo definido como a relação entre a pressão necessária para produzir uma penetração de um pistão num corpo-deprova de solo ou material granular e a pressão necessária para produzir a mesma penetração no material padrão referencial. Fonte: Pavimentação asfáltica formação básica para engenheiros (2008)

14 O CBR é calculado para as penetrações de 2,54mm e 5,08mm seguindo as expressões: Onde: P0,1 = pressão correspondente à penetração de 2,54mm (ou 0,1 ) em kgf/cm² P0,2 = pressão correspondente à penetração de 5,08mm (ou 0,2 ) em kgf/cm² Os valores 70 e 105 correspondem, respectivamente, aos valores de pressão padrão do material de referência à penetração de 0,1 e 0,2. O CBR é o maior valor entre os dois calculados CBR0,1 e CBR0,2. Curva-padrão do ensaio de CBR Para agregado graduados e de Qualidade (1929)

15 Condições específicas para o ensaio de CBR:

16 Referência: Balbo, 2007

17 Valores típicos de CBR para solos finos tropicais Fonte: Balbo (2007) Os solos LA, LA, LG apresentam as menores perdas de resistência devido à sua saturação quando imersos em água, embora possuindo fração argilosa; Os tipos LA e LG são solos que apresentam boa e rápida drenabilidade, tornando-se questionável, nesses casos, o emprego de valores de resistência após imersão para finalidades de projeto====deve ser estudado caso a caso.

18 O CBR de solos granulares e misturas soloagregado Observação: É importante ressaltar que materiais granulares de boa resistência como, por exemplo, a BGS, podem sofrer perda de resistência expressiva de até 75%, após saturação

19 CONCEITUAÇÃO DO MÓDULO DE RESILIÊNCIA E SUA DETERMINAÇÃO A integração carga-estrutura, com suas consequências sobre a deformação e a ocorrência de tensões nas camadas de pavimentos deve ser abordada obrigatoriamente dentro do conceito de que tal estrutura constitui um conjunto de camadas sobrepostas === com espessuras e propriedades distintas === respondendo aos esforços aplicados pelos veículos. Estrutura de camadas com comportamento elásticos distintos Fonte: Balbo, 2007

20 CONCEITUAÇÃO DO MÓDULO DE RESILIÊNCIA E SUA DETERMINAÇÃO As constantes elásticas (parâmetros) empregados habitualmente e mais pesquisadas para a formalização de análises de sistemas de camadas são: O comportamento tensão-deformação dos materiais de pavimentação pode ser expresso por: Módulo de elasticidade ou Módulo de Resiliência (a capacidade de o material não resguardar deformações depois de cessada a ação da carga) Seus respectivos coeficiente de Poisson, estes para a consideração dos efeitos advindos da Lei de Hooke generalizada

21 Principais defeitos no pavimento:

22 Principais defeitos no pavimento:

23 Principais defeitos no pavimento:

24 CONCEITUAÇÃO DO MÓDULO DE RESILIÊNCIA E SUA DETERMINAÇÃO Em laboratório, experimentalmente, o Módulo Resiliente é determinado pela relação entre tensão aplicada (σ) e a respectiva deformação sofrida (ε): MR = σ ε = E Um parâmetro importante para o entendimento do comportamento tensão-deformação dos materiais de pavimentação Google imagens, 2016 O material raramente apresenta comportamento elástico linear, apresentando mais comumente resposta elástica não linear

25 Comportamento tensão x deformação sob cargas cíclicas:

26 CONCEITUAÇÃO DO MÓDULO DE RESILIÊNCIA E SUA DETERMINAÇÃO A recomendação de substituir o CBR e outros valores de resistência de materiais pelo módulo de resiliência (MR) foi baseada nas seguintes razões: O MR indica uma propriedade básica do material que pode ser utilizada na análise mecanística de sistemas de múltiplas camadas; O MR é um método aceito internacionalmente para caracterizar materiais para o projeto de pavimentos e para sua avaliação de desempenho;

27 MÓDULO DE RESILIÊNCIA Para a determinação do módulo de resiliência de materiais de pavimentação, têm-se utilizado equipamentos de carga repetida em laboratório. Esquema do primeiro equipamento triaxial de carga repetida do Brasil (Medina, 1997) Fonte: Pavimentação asfáltica formação básica para engenheiros (2008)

28 MÓDULO DE RESILIÊNCIA Exemplo de equipamento de ensaio triaxial de carga repetida Fonte: Pavimentação asfáltica formação básica para engenheiros (2008)

29 MÓDULO DE RESILIÊNCIA Tensões aplicadas e deslocamentos no ensaio de carga repetida: Fonte: Pavimentação asfáltica formação básica para engenheiros (2008)

30 MÓDULO DE RESILIÊNCIA Módulo de resiliência (MR) em MPa é o módulo elástico obtido em ensaio triaxial de carga repetida cuja definição é dada pela expressão: MR = σ d ε R

31 MÓDULO DE RESILIÊNCIA A aplicação de carga é semi-senoidal por se aproximar da forma de carregamento correspondente à passagem de roda; O tempo de duração de aplicação total de carga é de 0,1 segundo e o repouso de 0,9 segundo; São utilizadas diferentes tensões de confinamento σ3, dada por pressão de ar dentro da célula, e tensões solicitantes σ1, aplicadas por célula de carga; No repouso, restam apenas as tensões de confinamento, sendo retirada a tensão desvio σd, que é a diferença entre as tensões principais maior e menor, respectivamente, representadas por σ1 e σ3; Uma combinação variada de tensões é normalmente aplicada; Uma parcela é deslocamento recuperável e a outra é acumulada ou permanente.

32 MÓDULO DE RESILIÊNCIA É desejável que os deslocamentos permanentes sejam de pequena magnitude; Os deslocamentos são medidos por transdutores mecânicos eletromagnéticos (linear variable differential transducers, LVDT), ao longo de uma determinada altura ou espessura (L) do corpo-de-prova; O MR é usado como entrada de dados para o cálculo de tensões e deformações nos diferentes pontos do pavimento; Ressalta-se que os materiais de pavimentação não são elásticos, sendo o uso da teoria da elasticidade uma aproximação ==== alguns materiais de pavimentação pode ser aproximado como elástico nãolinear.

33 MÓDULO DE RESILIÊNCIA Posicionamento dos medidores LVDTs: Ensaio triaxial: Google imagens, 2016

34 MÓDULO DE RESILIÊNCIA Ensaio triaxial dinâmico: Google imagens, 2016

35 MÓDULO DE RESILIÊNCIA 1 etapa: Condicionamento Na fase de condicionamento são aplicados 3 pares de tensões distintos (confinante e desviadora), aplicando 500 repetições para cada tensão aplicada; Eliminar as grandes deformações permanentes que ocorrem nas primeiras aplicações de tensão desviadora e reduzir o efeito da história de tensões no valor do módulo de resiliência.

36 MÓDULO DE RESILIÊNCIA 2 etapa: Obtenção do Módulo de Resiliência

37 MÓDULO DE RESILIÊNCIA Ensaios triaxiais dinâmicos (confinamento): O modelo constitutivo para o módulo resiliente dos materiais de natureza granular é dado pela expressão: M R =k 1 *σ 3 Quanto maior a tensão de confinamento σ3, maior será o módulo resiliente do material. Fonte: Pavimentação asfáltica formação básica para engenheiros (2008)

38 MÓDULO DE RESILIÊNCIA Ensaios triaxiais dinâmicos (confinamento): O modelo constitutivo para o módulo resiliente dos materiais de natureza coesiva é dado pela expressão: Fonte: Pavimentação asfáltica formação básica para engenheiros (2008)

39 DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE POISSON: É dado pelo inverso da relação entre a deformação vertical imposta ao material pela deformação horizontal sofrida no corpo de prova durante um ensaio de compressão uniaxial Valores típicos de coeficientes de Poisson: Fonte: Balbo (2007) Fonte: Balbo (2007)

40 MÓDULOS DE RESILIÊNCIA DOS MATERIAIS DE PAVIMENTAÇÃO MAIS COMUNS Desde meados de 1980, muitos estudos têm sido realizados no Brasil, tanto em laboratórios de pesquisa como em campo, para a determinação dos módulos de resiliência típicos de materiais de pavimentação no país. Anais Reuniões Anuais de Pavimentação (RAPv) da Associação Brasileira de Pavimentação; Congresso de Ensino e Pesquisa em Transportes da Anpet.

41 Brita Graduada Simples A AASHTO (1993) descreve modelos de comportamento de materiais granulares entre os quais se encaixa a BGS, para bases e sub-bases de pavimentos: Onde: θ = primeiro invariante de tensão = σ1+2.σ3 No Brasil, para agregados de natureza granítica (BGS) compactados na energia intermediária, foi obtida a seguinte relação (Segundo ITA (1985) apud Balbo (2007)):

42 Solos finos lateríticos e não lateríticos e solos lateríticos concrecionados Samuel Hantequeste Cardoso (1987) apud Balbo (2007) estimou o valor do MR de solos argilosos finos lateríticos a partir da seguinte expressão: Ernesto Preusller (1983) apud Balbo (2007) também correlacionou o valor de MR do solo e o valor de CBR de solos solos argilosos finos lateríticos, para um nível de tensão desvio de 0,2MPa:

43 Solos finos lateríticos e não lateríticos e solos lateríticos concrecionados Valores médios de MR para diversos tipos de solos localizados em SP para valores constantes de σ3 = 0,02 MPa e de tensão-desvio σd = 0,03 MPa: Fonte: Franzoi (1990) apud Balbo (2007)

44 Solos finos lateríticos e não lateríticos e solos lateríticos concrecionados Comportamento resiliente de solos granulares do Estado de Santa Catarina: Fonte: Nilton Valle (1996) apud Balbo (2007)

45 Solos finos lateríticos e não lateríticos e solos lateríticos concrecionados Comportamento resiliente de um solo laterítico concrecionado coletado na BR 316 no Estado do Pará. Fonte: Preussler (1983) apud Balbo (2007) Lateritas com pedregulhos argiloarenosos === comportamento resiliente dependente da tensão desvio (modelo bi-linear) === MR entre 300 MPa a 600MPa

46 Misturas de Solo-agregado ou de Solo-brita Estudos apontaram melhorias no comportamento resiliente de um solo LG com adição de areia em torno de 30%, em massa=== o valor de MR foi alterado de 100MPa para 200MPa e o valor de CBR de 11% para 40%, na energia intermediária. Já a adição de brita ao solo LG, em 30% em massa, resultou na duplicação do CBR do material, que aumentou para 60%, na energia intermediária (solos LG apresentam CBR entre 12% e 30%). Misturas de SAFL com agregados resultam no aumento do CBR do material e pouco influenciam no comportamento resiliente obtido para o próprio solo (50% SAFL e 50% agregado)

47 Misturas de Solo-cimento Exemplo de faixas de valores de módulos de resiliência de misturas solocimento=== resultados de estudos de Ceratti (1991) apud Balbo (2007): Os resultados deixam claro a interferência da natureza do solo na estabilização com cimento: solos arenosos, com menor consumo de cimento, resultam em materiais mais rígidos que os demais

48 Estimativas de módulos de resiliência para diversos materiais Prefeitura de São Paulo (2004), em sua Instrução de Projeto 08, indica: Fonte: Balbo (2007)

49 Ensaio de compressão diametral Brazilian Test (tração indireta) Determinação do Módulo de Resiliência de misturas asfálticas (capa) e cimentadas (DNER-ME 133/94) Fonte: Balbo (2007) Força aplicada na direção diametral da amostra; É realizado registro do deslocamento horizontal sofrido pela amostra em suas extremidades, a cada aplicação de carga resultando no MR do material, bem como a sua resistência à tração indireta. M R = F *(θ + 0,2734) t δ

50 Ensaio de compressão diametral Brazilian Test (tração indireta) Fonte: Alexandre Benetti Parreira. USP/EESC