3/6/2014 INTRODUÇÃO PROJETO E DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO APLICAÇÕES TÍPICAS INTRODUÇÃO. Primeiras placas de concreto

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1 INTRODUÇÃO PROJETO E DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS Prof. Ricardo A. de Melo UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA Departamento de Engenharia Civil e Ambiental Laboratório de Geotecnia e Pavimentação Disciplina: Pavimentação Quando iniciou a pavimentação com concreto de cimento portland? 1879: Escócia revestimento muito bom, porém se deteriorou rapidamente 1893: EUA (Rochester, NY) deterioração em menos de 3 anos devido às trincas térmicas e às ferraduras dos cavalos 1894: EUA (Bellefontaine, Ohio) Êxito na pavimentação Químico George Bartholomew Em operação até os dias atuais Fonte: (2011) INTRODUÇÃO Primeiras placas de concreto Espessura: 15 cm Largura e comprimento: 1,8 a 2,4 m Dimensões limitadas aos misturadores Juntas entre as placas Trincas e quebras nas bordas Solução: entrosamento entre os agregados 1914: Manual de dimensionamento e construção de pavimentos rígidos Fonte: (2011) INTRODUÇÃO 1917: barras de aço nas juntas permitiu vários tipos de seções, juntas e reforço das placas Década de 20: uso de malhas de aço para impedir o trincamento da placa Anos 50: estudo das propriedades das placas de concreto, transferência de cargas nas juntas, efeitos da velocidade e das cargas, e problemas devido ao bombeamento dos finos Bombeamento de finos Fonte: (2011) INTRODUÇÃO 1958 a 1960: AASHO Road Test Dimensionamento baseado em desempenho Graduação de sub-bases granulares e juntas com barras de aço 1956: melhoria da tecnologia construtiva, uso de máquinas pavimentadoras Após 1970: modelos mecanísticos, esforços dinâmicos, durabilidade da estrutura, técnicas de reciclagem e reconstrução Fonte: (2011) APLICAÇÕES TÍPICAS Vias de tráfego intenso e canalizado Áreas sujeitas ao derramamento de combustíveis Áreas de tráfego pesado Pisos industriais Aeroportos Pontes, túneis e viadutos Fonte: Adaptado de ABCP [ano?] 1

2 Capacidade de absorção de carga da placa de concreto 30,4 cm q c = 7,5 kgf/cm 2 MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO PCA/66 PCA/84 20 cm Redução da carga; a diferença é absorvida pela placa q f = 0,22 kgf/cm 2 AASHTO, 1993 Parâmetros de dimensionamento 88,7 cm Fonte: Adaptado de ABCP [ano?] FUNDAÇÃO DO PAVIMENTO Estudos geológicos e geotécnicos são importantes para identificar: Presença de solos expansivos Camadas espessas de argila mole Para o dimensionamento do pavimento, o parâmetro do subleito é o coeficiente de recalque (k), também denominado módulo de reação ou módulo de Westergaard FUNDAÇÃO DO PAVIMENTO Westergaard (1925) Dimensionar consiste em determinar as tensões na face inferior do pavimento Fundação winkleriana : placa assentada em apoios elásticos Placa de concreto Constante da mola Fonte: ABCP (ano?); WSDOT [2009?] FUNDAÇÃO DO PAVIMENTO Westergaard (1925)... Teoria do líquido denso: deslocamento (d) é proporcional à pressão aplicada (p) k: constante de proporcionalidade p k d FUNDAÇÃO DO PAVIMENTO Coeficiente de recalque, k Determinação por prova de carga estática, segundo norma DNIT 055/2004-ME Placa com 76 cm de diâmetro Define a capacidade de suporte Por simplicidade, usa-se o C.B.R. Valores para cálculos preliminares de custo Fonte: ABCP (ano?); WSDOT [2009?] Fonte: ABCP (ano?); DNIT (2005) 2

3 Prova de carga estática Relação entre solo de subleito e coeficiente de recalque, k Tipo de solo (AASHTO M145) Coeficiente de recalque (Mpa/m) A1-a 110 A1-b 70 a 165 A2-4, A A2-6, A a 90 A3 55 a 90 A4 25 a 80 A5 50 A6 60 A7-5, A Fonte: WSDOT [2009?] Fonte: ABCP (ano?) Correspondência entre valores de suporte do subleito CBR (%) PROJETO DE SUB-BASE Em projetos modernos, uso da sub-base: Proporcionar suporte uniforme e constante Eliminar o bombeamento dos finos do subleito Evitar os efeitos das mudanças excessivas de volume dos solos do subleito kgf/cm2/cm Mpa/m Coeficiente de recalque, k Fonte: ABCP (ano?); DNIT (2005); Tipos de sub-base Faixas granulométricas recomendadas para sub-bases granulares 3

4 Características usuais de sub-bases estabilizadas com cimento Faixas granulométricas para sub-bases estabilizadas com cimento Solo-cimento Brita graduada tratada com cimento Concreto rolado PROJETO DE SUB-BASE Aumento de k devido à presença de sub-base granular Coeficiente de recalque: Prova de carga Correlações do coeficiente de recalque do subleito, tipo de material e espessura da sub-base Para efeitos de dimensionamento, recomenda-se limitar o valor do coeficiente de recalque, no topo da sub-base, em 150 MPa/m Aumento de k devido à presença de subbase Brita tratada com cimento Concreto rolado Solo-cimento TRÁFEGO DE VEÍCULOS Contagem volumétrica classificatória Importante para definir os ábacos que serão usados no dimensionamento Veículos de projeto Caminhões com eixo simples Caminhões com tandem duplo Caminhões com tandem triplo Fonte: ABCP (?) 4

5 TRÁFEGO DE VEÍCULOS RESISTÊNCIA DO CONCRETO Horizonte de projeto Brasil: 20 anos (previsão do tráfego é imprecisa aqui no Brasil) E.U.A. e Europa: 50 anos Fatores de segurança para cargas Resistência de projeto: resistência à tração na flexão (f ctm,k ) aos 28 dias f ctm,k = 4,5 MPa: espessura econômica, resistência à abrasão f ctm,k = 5,0 a 5,5 MPa: aeroportos Controle tecnológico do concreto Fonte: ABCP (ano?); DNIT (2005) Fonte: ABCP (?) Controle Tecnológico Moldagem de corpos de prova Resistência à tração na flexão FADIGA Fadiga é resultado do processo de repetição de cargas Importante é definir espessura que resista a fadiga do pavimento antes de atingir a vida útil do projeto Relação entre as tensões produzidas pelas cargas e a resistência do material No dimensionamento consiste em comparar N admissível e N projeto Fonte: (?) Relação de tensões e número admissível de repetições de carga Ábaco para dimensionamento da espessura de pavimento rígido Tensão de tração na flexão (Mpa) Coeficiente de recalque (Mpa/m) Carga por eixo simples (tf) 5

6 Ábaco de dimensionamento da espessura para pavimentos rodoviários de concreto (eixos simples) Ábaco de dimensionamento da espessura para pavimentos rodoviários de concreto (eixos tandem duplo) Ábaco de dimensionamento da espessura para pavimentos rodoviários de concreto (eixos tandem triplo) ESTUDO DE TRAÇADO E PROJETO DE DRENAGEM Traçado da rodovia ok! Drenagem da rodovia ok! 1- Definição dos parâmetros de dimensionamento Resistência característica à tração na flexão aos 28 dias Coeficiente de recalque Fator de segurança Tráfego esperado em função da carga e horizonte de projeto 1- Definição dos parâmetros de dimensionamento Resistência característica à tração na flexão aos 28 dias Coeficiente de recalque Fator de segurança Tráfego esperado em função da carga e horizonte de projeto 2- Adoção de uma espessura-tentativa de concreto 6

7 1- Definição dos parâmetros de dimensionamento Resistência característica à tração na flexão aos 28 dias Coeficiente de recalque Fator de segurança Tráfego esperado em função da carga e horizonte de projeto 2- Adoção de uma espessura-tentativa de concreto 3- Determinação das tensões na placa de concreto devidas as cargas por eixos simples, tandem duplos e triplos em função de: Espessura tentativa da placa, H Coeficiente de recalque do sistema, k 4- Determinação da relação de tensões e o número admissível de repetições de carga 4- Determinação da relação de tensões e o número admissível de repetições de carga 5- Lançar o número de repetições previstas de cargas para cada tipo de eixo 4- Determinação da relação de tensões e o número admissível de repetições de carga 5- Lançar o número de repetições previstas de cargas para cada tipo de eixo 6- Calcular o consumo de resistência à fadiga para cada carga (em %) 4- Determinação da relação de tensões e o número admissível de repetições de carga 5- Lançar o número de repetições previstas de cargas para cada tipo de eixo 6- Calcular o consumo de resistência à fadiga para cada carga (em %) 7- Somar os consumos de fadiga para se obter o consumo total de resistência à fadiga, verificando se a espessura-tentativa cumpre os requisitados solicitados, caso em que o consumo total de resistência à fadiga não deverá ultrapassar os 100% Exemplo de cálculo 2,5 0,52 2,65 0,54 CRF dos eixos tandem duplo e triplo = 0% 7

8 JUNTAS EM PAVIMENTO DE CONCRETO JUNTAS TRANSVERSAIS EM PAVIMENTO DE CONCRETO Tipos de juntas Transversais Longitudinais Especiais Funções Fonte: cimentoitambe com.br (2013) Permitir retração/contração do concreto Controle das fissuras na placa de concreto Transferência de carga entre placas Construção por etapas Permitir a dilatação/expansão entre placas e estrutura adjacente (ponte, viaduto...) h h/2 h/2 Barras lisas de transferência de carga (Aço CA-25) juntas transversais JUNTAS LONGITUDINAIS EM PAVIMENTO DE CONCRETO A quantidade de barras e espaçamento devem ser calculadas a partir de expressões existentes no manual do DNIT. Junta transversal em pavimento de concreto BR101/PB Tipos de juntas e barras de transferência BR101-NE/Paraíba Junta longitudinal Junta transversal Fonte: Melo (2008) Fonte: Melo (2009);? 8

9 Materiais selantes e enchimento das juntas Materiais selantes para juntas Impedir a intrusão de água Evita bombeamento de finos e perda da durabilidade da placa de concreto Impedir a intrusão de materiais incompressíveis (pedregulho, areia e outros) Sem escala Fonte: ABCP(1998); DNIT (2005); Propriedades para material selante adequado Fluidez, período de cura, viscosidade, adesividade, dureza, resistência à oxidação, compressibilidade, elasticidade, resistência à fissuração e coesão interna Aspectos técnicos para escolha dos materiais Facilidade de aplicação Condições ambientais: temperatura e pluviosidade Solicitação mecânica: volume e cargas do tráfego Norma DNIT 046/2004 EM fixa requisitos para aceitação de materiais destinados à selagem de juntas Materiais selantes para juntas Selantes vazados no local Selantes vazantes a quente Termoplásticos: alcatrão, asfalto e compostos de asfalto e borracha Mástiques: líquido viscoso mais fíler Vantagem: baixo custo inicial Desvantagens: baixa resistência ao calor, óleos e combustíveis e manutenção a cada 2 4 anos Materiais selantes para juntas Selantes vazados no local Selantes vazantes a quente Termoplásticos: alcatrão, asfalto e compostos de asfalto e borracha Mástiques: líquido viscoso mais fíler Vantagem: baixo custo inicial Desvantagens: baixa resistência ao calor, óleos e combustíveis e manutenção a cada 2 4 anos Selantes vazados a frio Resinas, polímeros, compostos químicos Vantagem: maior durabilidade e menor manutenção que selante vazante a quente Desvantagem: custo inicial maior silicone ; (2013) Materiais selantes para juntas Tipos de reservatório para selantes Selantes pré-moldados Tipos: polímeros e cortiças Vantagem: o mais durável, melhor desempenho Desvantagem: o custo mais elevado dentre os selantes 9

10 MÉTODO PCA/84 MÉTODO PCA/84 Novos enfoques e alterações no roteiro de dimensionamento em relação ao método PCA/66 Aplicação aos pavimentos de concreto simples e com barras de transferência, ou dotados de armadura distribuída, descontínua ou contínua, sem função estrutural Modelo de análise estrutural por elementos finitos Tipo e o grau de transferência de carga nas juntas transversais Av. Caxangá, Recife/PE Degrau entre placas de concreto ; Melo (2003) Degrau entre placas de concreto Sub-base em concreto compactado a rolo Tipo e o grau de transferência de carga nas juntas transversais Tipo de junta: entrosagem dos agregados Artifícios para melhorar a eficiência das juntas Placas curtas com 5 m de comprimento Uso de barras de transferência Sub-base estabilizada com cimento Fonte: Melo (2007) MÉTODO PCA/84 Efeito da existência de acostamentos de concreto Reduz as deformações verticais na borda do pavimento Pode favorecer a redução na espessura da placa de concreto em até 4 cm Sub-bases tratadas com cimento Suporte de alto valor, não bombeáveis e não sujeitas à erosão Podem resultar em redução de 3 cm na espessura, para pavimentos sem barra de transferência e tráfego pesado Introdução de modelo de ruína por erosão da fundação do pavimento, concomitantemente com modelo modificado de fadiga Modelo de ruína (fadiga) Tensões de tração à flexão consideradas no cálculo, são as produzidas pela carga tangente à borda longitudinal ; adaptado de Rao and Roesler (2004); adaptado de Rao and Roesler (2004) 10

11 Modelo de ruína (fadiga) Modelo de ruína (erosão) A curva de fadiga alcança valores de relação de tensões inferiores a 0,50 A erosão provoca deformações verticais críticas, nos cantos e nas bordas longitudinais, causando escalões ou degraus nas juntas transversais Degrau em junta transversal Fator de erosão mede o poder que certa carga tem para impor uma dada deformação vertical à placa ; FHWA (2011) Calcular o número de eixos totais por classe de carga para vida útil do pavimento Calcular o número de eixos totais por classe de carga para vida útil do pavimento Definição dos parâmetros de dimensionamento: Tipo de acostamento e existência (ou não) de barras de transferência de carga Resistência à tração na flexão (28 dias) Coeficiente de recalque Fator de segurança Tráfego esperado (calculado anteriormente) Calcular o número de eixos totais por classe de carga para vida útil do pavimento Definição dos parâmetros de dimensionamento: Calcular o número de eixos totais por classe de carga para vida útil do pavimento Definição dos parâmetros de dimensionamento: Tipo de acostamento e existência (ou não) de barra de transferência Resistência à tração na flexão (28 dias) Coeficiente de recalque Fator de segurança Tráfego esperado (calculado anteriormente) Adoção de uma espessura de concreto (tentativa) 11

12 Determinar a tensão equivalente nos quadros (12 e 13, ou 14 e 15), dependendo se o pavimento terá ou não acostamento de concreto, para eixos simples, tandem duplos e triplos com: A espessura estimada da placa, H O coeficiente de recalque do sistema, k Transportam-se os valores encontrados para os campos 8, 11 e 14 do formulário, conforme o tipo de eixo Quadro 12. tensão equivalente para eixos simples e tandem duplo (MPa) para pavimento sem acostamento de concreto (PSAC) Determinação da tensão equivalente Determinar a tensão equivalente... Determinar nos quadros 16 e 17, 18 e 19, 20 e 21 ou 22 e 23 os fatores de erosão, em função do tipo de junta e de acostamento Entrar com a espessura H e o k do sistema Determinar os fatores de erosão de acordo com o tipo de eixo Transportar respectivamente estes valores para os espaços 10, 12 e 15 do formulário do quadro 11 Quadro 16. Fator de erosão para eixos simples e tandem duplos (juntas sem barras de transferência e pavimento sem acostamento de concreto) Determinação do fator de erosão 12

13 Determinar a tensão equivalente... Determinar nos quadros (...)os fatores de erosão... Calcular os fatores de fadiga dos campos 9, 13 e 16 do formulário do quadro 11, para os eixos simples, tandem duplos e triplos, dividindo as tensões equivalentes pela resistência de projeto Cálculo do fator de fadiga Determinar a tensão equivalente... Determinar nos quadros (...)os fatores de erosão... Calcular os fatores de fadiga... Com o fator de fadiga e as cargas por eixos simples e tandem duplos, determinam-se as repetições admissíveis na coluna 4, quadro 11, pela figura 27 (análise por fadiga) Com o fator de erosão e as cargas por eixo simples e tandem duplos, determinam-se as repetições admissíveis no ábaco da figuras 28 ou 29 (sem e com acostamento de concreto) que são lançadas na coluna 6 do quadro 11 13

14 Com o fator de erosão e as cargas por eixo simples... Dividem-se as repetições esperadas pelas respectivas repetições admissíveis, determinadas tanto na análise por fadiga como na análise por erosão, determinando-se as porcentagens de resistência à fadiga consumida e dano por erosão; transportam-se os valores calculados para as colunas 5 e 7, respectivamente, do quadro 11 Com o fator de erosão e as cargas por eixo simples... Dividem-se as repetições esperadas... Soma-se a coluna 5 (porcentagem de fadiga) e a coluna 7 (porcentagem de erosão) do quadro 9; verificar se a espessura estimada cumpre os requisitos solicitados, isto é, nenhuma das somas destas colunas, ultrapassa 100% Pavimento de concreto BR101 NE As dificuldades são o aço estrutural que entra na construção do caráter. Carlos Drummond de Andrade Fonte: [2011?] 14