DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS

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1 DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS Determinação das espessuras das camadas: Reforço do subleito Sub-base Base Revestimento resistir, transmitir e distribuir as pressões resultantes da passagem dos veículos ao subleito Sem que ocorra: ruptura, deformações apreciáveis ou desgaste superficial excessivo.

2 Dimensionamento de Pavimento Flexível Método do DNIT Introdução Este método foi proposto pelo Engenheiro Murillo Lopes de Souza, na década de 60, com base no ensaio C.B.R de O. J. Porter, no Índice de Grupo, de Steele e no que se refere ao tráfego, nos trabalhos do U.S. Corps of Engineers, apresentados por J. Turnbull, C. R. Foster e R. G. Alvhin, e conclusões obtidas na Pista Experimental da AASHTO. Os dados correspondentes aos coeficientes de equivalência estrutural são baseados nos resultados obtidos na pista experimental da AASHTO em Otawa, Estado de Ilinois, no final da década de 50. O método se apresenta na seguinte seqüência de estudos: Subleito; Tráfego; Materiais das camadas;

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4 ESTUDO DO SUBLEITO Serviços de Campo Ensaios de Laboratório Analise Estatística Relatório final 1. Serviços de Campo - Sondagens : eixo longitudinal e/ou bordos Profundidade dos furos (h) : 0,60 m a 1,50 m abaixo da superfície de rolamento ou do greide projetado. Determinação do N.A - Identificação expedita dos horizontes de solo (exame visual, tato, cheiro, dilatância, resistência seca, etc.) - Coleta de Amostras

5 2. Ensaios de Laboratório Ensaios Granulometria LL LP IP Classificação H R B IG Compactação I S C Ensaios Especiais Adensamento Permeabilidade Triaxial

6 3. Análise Estatística Sub-trechos com extensão de até 20km. Ensaios de caracterização: n o de amostras > 25, tomar aleatoriamente 25 amostras e ensaia-las. 9 < n o de amostras < 25, todas as amostras devem ser ensaiadas. n o de amostras < 9, completar o n o mínimo de amostras (= 9) para ensaio. Ensaios de ISC : 9 amostras

7 4. Apresentação dos resultados e traçado do perfil longitudinal Planta de localização dos furos realizados; Boletim de sondagens Resultados dos ensaios de laboratório; Análise estatística Perfis dos solos para identificação dos tipos de materiais, com todas as camadas e as indicações das cotas de início e fim de cada uma delas, Indicando a cota do lençol freático (se houver) Convenção para os solos (DNIT) Perfil longitudinal dos horizontes de solo

8 Índice de Suporte do Subleito (IS) IS ( IS ) IG ISCBR 2 IS IG - Índice Suporte, função do IG do solo IS CBR Índice Suporte derivado do CBR Numericamente: IS CBR = CBR IS CBR = IS CBR Anteprojetos: IS = IS IG Índice de Grupo IG Índice de Suporte IS IG a a a a a 20 2

9 ESPECIFICAÇÕES DE MATERIAIS A) Terreno de Fundação (Subleito) o Compactação dos 20 cm superiores com 100% AASHTO intermediário. o Expansão 2%, medida no ensaio de C.B.R. o C.B.R. 2% o Caso da ocorrência de materiais com IS < 2, a fazer a substituição, na espessura de, pelo menos, 1 m, por material com IS 2. B) Reforço o C.B.R. maior do que o do subleito o Expansão 1% C) Materiais para Sub-base o C.B.R. 20% o I.G = 0 o Expansão 1%

10 D) Materiais para Base C.B.R 80% Expansão 0,5% Limite de Liquidez 25% Índice de Plasticidade 6% Equivalente de Areia 20% A granulometria deverá obedecer as faixas (Parte I) mostradas na tabela. As misturas betuminosas devem ser dosadas, utilizando-se o ensaio Marshall. A massa especifica exigida para a compactação do solo no campo definirá o CBR de projeto. Sempre haverá um sistema de drenagem superficial adequado. O lençol d água subterrâneo será rebaixado a, pelo menos, 1,50 m em relação ao greide de regularização. Tipos I II Peneiras A B C D E F / N O N O N O N O Material CBR (%) Brita compactada Macadame hidráulico Solo cimento Solo estabilizado Areia (sem argila) Argila arenosa 6 10 Silte argiloso plástico 3-5

11 ESTUDO DO TRÁFEGO - VEÍCULOS Referencias DNIT. Manual de estudos de tráfego. Ministério dos Transportes. Publicação IPR 723. Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes DNIT. Manual de pavimentação. Ministério dos Transportes. Publicação IPR 719. Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes DNIT. Manual de restauração de pavimentos asfálticos. Publicação IPR 720. Ministério dos Transportes. Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes MEDINA, J. MOTTA, L.M.G. Mecânica dos pavimentos. Rio de Janeiro: COPPE/UFRJ, 2005.

12 Necessidade de se conhecer o tráfego As características do tráfego afetam a qualidade dos pavimentos flexíveis. Solicitações acima das previstas em projeto podem ocasionar degradações como deformações permanentes, trincas e perda de material da superfície de rolamento.

13 CARGAS RODOVIÁRIAS E TRÁFEGO o As rodovias são trafegadas por eixos de diversas configurações com cargas diversas o O Veículo Padrão serve de referencia aos demais carregamentos. o Reproduz a influencia deletéria dos diversos eixos sobre o pavimento. Veiculo Padrão - Eixo simples com roda dupla ESRD Padrão Problemas para estimativa do tráfego: falta de controle da pressão de inflação de pneus dos veículos comerciais pressão de inflação vigente = 80 psi = 5,62 Kgf/cm2 pressão de inflação utilizada na prática = em torno de 100 psi = 7,03 Kgf/cm2 a conseqüência é a alteração da distribuição de tensão, causada pelo aumento da pressão de contato, que é admitida como igual à pressão de inflação do pneu

14 Classificação Simplificada da Frota Circulante (DNIT) Veículos de passeios ou Veículos leves Automóveis e Utilitários Caminhões leves: 2 eixos simples com rodas simples. Veículos comerciais Caminhões médios: 2 eixos simples, rodas traseiras duplas. Caminhões pesados: 2 eixos, traseiro em tandem. Reboques e Semi-Reboques: outras combinações. Ônibus: equivalente a caminhões leves o Eixos Simples o Eixo Tandem roda simples - ESRS roda dupla - ESRD Duplo - ETD Triplo - ETT

15 CONFIGURAÇÕES POR EIXO ESRS ESRD ETD ETT

16 CONFIGURAÇÕES POR EIXO

17 CONFIGURAÇÕES POR EIXO

18 Classificação detalhada Considerando que podem ocorrer expressivas variações na capacidade de carga entre caminhões de uma determinada subclasse, em função do tipo de veículo, o DNIT adota a seguinte classificação apresentada no Quadro. Assim, os semi-reboques poderiam ser classificados da seguinte maneira: 2S1; 2S2; 3S2 e 3S3. Nessa classificação, o primeiro algarismo representa o número de eixos do cavalo mecânico, e o segundo algarismo o número de eixos do semireboque.

19 AS CARGAS DEVIDO AO TRÁFEGO Além da classificação dos veículos, também é importante classificar os tipos de eixos, estabelecendo-se limites de peso para cada tipo de eixo e verificando-se a distribuição da carga por eixo, para cada caminhão.

20 Pesos e Dimensões dos veículos A Resolução Nº 210 do Conselho Nacional de Trânsito (CONTRAN), de 13 de novembro de 2006, estabelece os limites de peso e dimensões para veículos que transitem por vias terrestres.

21 Carga / Eixo

22 Carga / Eixo

23 Número Equivalente de Operações de Eixo Padrão - N N = 365. V m. P. (FC). (FE). (FR) V m - Vol. diário médio de tráfego. P - Período de projeto ou vida útil, em anos FC Fator de Carga FE - Fator de Eixo FR Fator Climático Regional Taxa de Crescimento de Tráfego FV = FC x FE - fator de veículo Tráfego Atual Desviado Gerado a) Taxa de crescimento linear anual, t (%). V 1 - Volume de tráfego no primeiro ano. V o - Volume de tráfego inicial. V P - Volume de tráfego no último ano de projeto TDM o - Tráfego diário médio atual D porcentagem de tráfego no sentido dominante OBS: Na falta de dados - t = 5% a.a. V m V V 1 P 2 V 1 t VO 1 i 100 TDM o D Vo 100 V P V 1. 1 t P 100

24 Exemplo: Seja uma contagem de tráfego TDM O = 800 veículos/dia, com 60% dos veículos no sentido mais solicitado, numa via de duas faixas de tráfego e duas mãos. Qual o volume total de tráfego no período de projeto (V T )? São conhecidos: Taxa de crescimento linear do tráfego t = 5% Período de projeto P = 10 anos Tempo de execução das obras p = 1 ano D = 60% -Solução V O = (800x60)/100 = 480 veículos/dia V 1 = 480x (1 + 5/100)] = 504 veículos/dia V P = 504 x [1 + (10 x 5/100)] = 756 veículos/dia V m ( ) veiculos / dia ( sentido mais solicitado ) V T = 365.V m.p V T = 365 x 630 x 10 = V T 2, veículos

25 b) Taxa de crescimento geométrico anual o Tráfego no ano inicial do projeto: V 1 = V 0 (1 + t) o Tráfego no último ano do período de projeto: V P = V 1 ( 1+ t ) P o Tráfego total: V T = 365. V 1 [(1+t) P 1]/t Fator Equivalente de Operações (FEO) - f E V = f x E VP Ev efeito da passagem de um veículo Evp efeito da passagem de um veículo padrão Determinação do FEO 1) Método da A A S H T O Roda simples Eixo simples Roda dupla: Eixo simples Eixo duplo Eixo triplo Q FEO 8,17 Q FEO 15,08 Q FEO 7,77 4,32 4,14 Q FEO 22,95 4,22 4,32

26 2) Método do D N I T

27 Composição de tráfego Eixo simples (tf) Eixo Tandem Duplo (tf) N o de eixos (%) VDM I f i f i x VDM i f i x (%) ( VDM i ) FC 100 ( f VDM ) i f i % Fator de Carga: equivalência de operação entre o tráfego de veículo padrão e o tráfego real FC ( f i VDM i ) f % FC i VDM i 100 TDM ( VDM 0 i ) Fator de Eixo: Transforma o numero de veículos padrão, em número de passagens de eixos equivalentes FE = P 2 x 2 + P 3 x P n x n P 2, P 3,..., P n - % de veículos com 2 eixo, 3 eixos,..., n eixos Outra maneira: n V T FE V T - Volume total de tráfego n - número total de eixos OBS: Na falta de dados adotar - FC = 1,70 e FE = 2,07

28 Exemplo 1: Para um projeto em que se prevê 60% dos veículos com 2 eixos e 40% com 3 eixos, o fator eixo será: FE = 0,60 x 2 + 0,40 x 3 FE = 2,4. Exemplo 2: Em uma estrada, a amostragem contou 300 veículos comerciais assim constituídos: 200 veículos com 2 eixos, 80 veículos com 3 eixos e 20 veículos com 4 eixos. Qual o valor de (FE). Cálculo do n o de eixo: n = 200 x x x 4 = 720 eixos 720 = 300 x (FE) (FE) = 2,4

29 Fator Climático Regional (FR) FR ms 12 FR s mc 12 FR c mi FRi 12 m s n o de meses de seca, no ano m c n o de meses de chuvas, no ano m t n o de meses de clima temperado, no ano. FR s Fator climático para os meses de seca FR c Fator climático para os meses de chuvas FR t Fator climático para os meses de clima temperado. Exemplo: Seja uma estrada em que prevalecem as seguintes condições durante o ano. Duração (meses) Coeficiente climático 3 2,0 2 1,5 7 0,7 FR , ,7 1,16 No Brasil, o DNIT sugere os valores constantes na tabela: Altura média anual chuva FR (mm) Até 800 0, ,4 > ,8

30 Classificação do Tráfego SOLICITAÇÕES TRÁFEGO N < 10 6 Leve 5x10 6 N 10 6 Médio 5x10 7 N 5x10 6 Pesado N > 5x10 7 Muito Pesado

31 EXERCICIOS * ) Em uma via urbana com duas faixas de tráfego e sentido único a contagem de veículos é apresentada no quadro abaixo. São conhecidos: Taxa de crescimento anual de veículos: 6% Contagem total (TDM o ): 640 ; Não há predominância de veículos. Fator Climático Regional: 1,0 Pede-se determinar: a) Preencher a planilha de composição de tráfego; b) O fator Veículo, FV; c) O valor de N, para uma vida útil estimada de 8 anos. d) O tipo de tráfego Eixo Simples (ton) N o eixos/dia Freqüência (%) VDM FEO ( f ) 6,0 2 34,5 10,0 2 22,0 Eixo Tandem Duplo (ton) 16,0 3 26,5 30,0 4 17,0 (f) x (%) (f) x VDM

32 (*) Conhecidos os dados do tráfego abaixo pede-se calcular: a) os valores de FC e FE; b) O número N, considerando FV = 5,0 x 10 6 veículos/dia. Dado: Altura media anual de chuva = 900 mm. ESRS (ton) N o eixos Freqüência (%) FEO ( f ) ESRD (ton) % Eq. Operações (f) x (%)

33 *) Está sendo prevista a abertura de uma nova avenida em Belém, com uma faixa exclusiva para ônibus. No sentido bairro-centro, estão previstos 100 ônibus/hora durante as cinco horas de pico, trafegando cheios; 40 ônibus/hora pelo período de 11 horas durante o dia, trafegando com poucas pessoas. Desprezam-se os ônibus que trafegam durante as 8 horas de período noturno e nos finais de semana. Supondo que a configuração dos ônibus seja a mesma para toda a frota, tem-se que nos horários de pico, o ESRS pesa em média 4,5 toneladas e o ESRD 9 toneladas; nas demais horas, o ESRS pesa 3 toneladas e o ESRD 5 toneladas. Calcule o número de repetições equivalentes ao eixo-padrão para um período de projeto de 10 anos, com crescimento linear de 1% ao ano. - Solução ônibus/h 5 h = 500 (lotados) 4,5 t (ESRS) / 9,0 t (ESRD) 40 ônibus/h 11 h = 440 (1/2 lotação) 3,0 t (ESRS) / 5,0 t (ESRD) 940 ônibus por dia 5 dias por semana ESRS (ton) N o eixos/dia Freqüência (%) FEO ( f ) Eq. Operações (f) x (%) 3, ,4 0,02 0,468 4, ,6 0,09 2,394 ESRD (ton) 5, ,4 0,13 3,042 9, ,6 1,70 45,22 = ,0 = 51,502 - Fator eixo: n = V t. (FE) = 940. (FE) FE = 2,0 (%) ( f ) 51,502 FC 0, Volume inicial de tráfego diário no sentido mais solicitado: 940 ônibus Volume de tráfego no primeiro ano de operação: V 1 = V o (1 + t) V 1 = 940 (1 + 0,01) = 949,4 Volume de tráfego para o período de projeto: V P = V 1 (1 + P. t) V 10 = 949,4 ( x 0,01) = 1.044,34 - Volume médio diário: V1 VP 949, ,34 Vm 996, 87 veiculos 2 2 N = 365 x 10 x 996,87 x 0,50 x 2,0 x 1,0 = ,5 N = 3,6 x 10 6 veículos

34 Materiais das camadas Coeficiente de equivalência estrutural (k) H P = K i. h i H P espessura de material padrão equivalente a h i h i espessura do material que irá compor a camada Componentes do Pavimento - Base ou revestimento de concreto betuminoso: CBUQ - Base ou revestimento pré-misturado a quente: PMQ - Base ou revestimento pré-misturado a frio: PMF - Base ou revestimento betuminoso por penetração: PMAF; MB; TSS; TSD; TST Coeficiente K 2,00 1,70 1,40 1,20 - Camadas granulares: BGS; MH; BC; SB - Sub-base granular; - Reforço do subleito; 1,0 0,77* 0,71 * - Mat. estabilizado com cimento: Rc7 > 4,5 MPa (45 kgf./cm 2 ) BGTC; SC - Mat. estabilizado com cimento: 2,8 MPa <Rc7< 4,5 MPa SC - Mat. estabilizado com cimento: 2,1 MPa<Rc7<2,8 MPa: SMC -- Material estabilizado com Cal: solo-cal 1,70 1,40 1,20 1,20 (*) Quando não se conhece os CBR s das camadas de reforço e subbase.

35 Coeficiente Estrutural das camadas de reforço e sub-base K Re f ou K Sb CBR1 3 CBR 2 1/ 3 CBR 1 = CBR do reforço ou sub-base CBR 2 = CBR do subleito Se CBR 1 > 3 x CBR 2, adotar K Sub ou K Ref = 1 Exemplo: Um pavimento é constituído por 4 camadas a saber: revestimento de concreto betuminoso; base de solo-brita (CBR = 82%); sub-base de areia com pedregulho e argila, com CBR = 25%; reforço com solo local de CBR = 10%. O subleito possui CBR = 6%. Determine os coeficientes de equivalência estrutural de cada camada. Tabela de equivalência de materiais : - Revestimento de concreto asfaltico: k R = 2,0 - Base granular: k B = 1,0 -Sub-base granular: Como CBR = 25% > 3 x CBR (Subleito) Adotar : k SB = 1,0 Determinação de k da camada de Reforço: K Re f CBR1 3 CBR 2 1/ / 3 0,82

36 Cálculo das espessuras das camadas R.K R - espessura equivalente do revestimento B.K B espessura equivalente da base H 20.K S espessura equivalente da sub-base H n.k Ref ou h n.k n - espessura equivalente do reforço do subleito. N Espessura mínima de Revestimento Betuminoso ( Rmin) N 10 6 Tratamentos superficiais betuminosos 10 6 < N 5 x 10 6 Revestimentos betuminosos com 5,0 cm de espessura 5 x 10 6 < N 10 7 Concreto betuminoso com 7,5 cm de espessura 10 7 < N 5 x 10 7 Concreto betuminoso com 10,0 cm de espessura N > 5 x 10 7 Concreto betuminoso com 12,5 cm de espessura Outro material: R R min 2 K R

37 Ábaco de Dimensionamento H T , CBR 1/ 2 0,23 log N 0,5 234, cm

38 CONSTRUÇÃO POR ETAPAS Muitas vezes, quando não se dispõe de dados seguros sobre a composição do trafego, é conveniente a pavimentação por etapas, havendo ainda a vantagem de, ao se completar o pavimento para o período de projeto definitivo, eliminar as pequenas irregularidades de superfície que podem ocorrer nos primeiros anos de vida do pavimento.

39 EXEMPLOS SOBRE DIMENSIONAMENTO 1) Dimensionar o pavimento de uma estrada para a qual se prevê N = 10 3 veic. Padrão. O subleito apresenta IS = 2 e que se dispões de material para reforço com IS = 12 e material para base e sub-base. Utilizar concreto betuminoso como revestimento. - SOLUÇÃO - Do Ábaco e das tabelas obtem-se: H 2 = 56 cm K R = 2,00 H 12 = 21 cm K B = 1,00 N = 10 3 R = 5 cm (Tabelado) H 20 = 18 cm K sub = 0,77 K Ref = 0,71 2.R + B x 1,00 = 18 cm B = 8 cm B 10 cm ( espessura mínima permitida) 2.R + B x 1,00 + 0,77 x h 20 = 21 cm h 20 = 1,3 cm, adota-se h 20 = 10 cm 2.R + B ,77 x ,71 x h ref = 56 cm h ref = 40 cm Espessura final do Pavimento: H = = 65 cm

40 2) Dimensionar o pavimento para uma rodovia em que N = 10 6 eixos padrão, sabendo-se que o subleito apresenta um IS = 8. Dispõe-se de material para sub-base e base. a) Adotar concreto betuminoso como revestimento; b) Adotar concreto betuminoso como revestimento e base granular com 20 cm de espessura; c) Adotar revestimento e base de concreto betuminoso; d) Adotar macadame betuminoso como revestimento (K R = 1,2) 3) Dimensionar o pavimento para uma estrada em que N = 10 8 eixos padrão, sabendo-se que o subleito apresenta um IS = 10. Dispõe-se de material para reforço do subleito com IS = 15 e de material para camada de base. O revestimento é de concreto betuminoso. 4) Dimensionar o pavimento para uma estrada em que N = 1,85 x 10 7 eixos padrão, sabendo-se que o subleito apresenta CBR = 6. Dispõe-se de material para reforço do subleito, com CBR = 15 e de material para base. O revestimento é de concreto betuminoso. 5) O solo de subleito possui IG = 4 e CBR = 8%. Caso necessário, dispõe-se de solo para reforço com CBR = 12%. O material para sub-base tem CBR = 24%. O revestimento asfaltico é um pré-misturado a frio. Dimensionar o pavimento para um valor de N = 4 x 10 6 eixos padrão.

41 6) Para um tráfego estimado, na faixa de projeto, de 10 9 repetições do eixo padrão de 80 kn, para período de projeto de 20 anos, o SETRAN (PA) estabeleceu a estrutura de pavimento asfaltico semirígido abaixo indicada como solução para parte do trecho Entroncamento - Marituba, cuja construção dá sinais de inicio de degradação (trincas no revestimento). Verifique se as camadas de tal pavimento atendem ao critério de projeto do DNER. Revestimento: 15 cm de CBUQ Base: 12 cm de Brita Graduada Simples Sub-base: 17 cm de brita graduada tratada com cimento (Resistência, 7 dias de cura, 6 MPa) Reforço do subleito: 30 cm de solo melhorado com cimento (Resistência, 7 dias de cura, 2 MPa e CBR = 15%) Subleito: Solo com CBR = 6% Verificação segundo o método de dimensionamento do DNER: A) Revestimento: Tabela : N = 10 9 Espessura minima 12,5 cm Como o revestimento foi construído com espessura de 15 cm > 12,5 cm, OK! B) Camada de Base (Brita Graduada simples: K = 1,0) Ábaco: N = 10 9 e CBR = 20% H 20 = 32 cm R. K R + B. K B H x 2,0 + B x 1,0 32 B 2 cm Como a Base foi construída com a espessura de 12 cm > 2 cm, OK! C) Camada de Sub-base (Brita tratada com cimento: K = 1,7) D) Camada de reforço: (Solo melhorado com cimento: K = 1,2) Ábaco: N = 10 9 e CBR = 6% H 6 = 73 cm 15 x 2, x 1, x 1,7 + h Ref x 1,2 73 cm x 1,2 = 107 cm > 73 cm, OK! N = 10 9 e CBR = 15% H 15 = 40 cm 15 x x 1,0 + h 20 x 1,70 40 cm x 1,70 = 71 cm > 40 cm, OK! Conclusão: As espessuras das camadas construídas estão de acordo com o método de projeto do DNER, não havendo, portanto, falhas estruturais para originar o aparecimento das trincas no revestimento, considerando que as camadas foram rigorosamente compactadas conforme o projeto.

42 Custo do Pavimento Custo total do pavimento Composição de custos das diversas camadas que o constitui. ROTEIRO: 1) Consumo (m 3 /km), de cada camada acabada. V a = e x L x e - espessura da camada L largura da camada 2) Custo total da camada acabada por km. Custo total = Custo de transporte + Custo da camada acabada Custo de transporte = DMT x custo unitário do material Custo da camada acabada = V a x Custo/m 3

43 Composição e dimensões das camadas Camadas Material Espessura (cm) Largura (m) 1 Revestimento CA 5 7 Imprimação ADP Base Solo cimento Subbase Solo estabilizado Reforço Solo de jazida Regularização Solo escolhido Variável Variável 6 Subleito Solo local - Variável Quantidade de material (m 3 /m)