DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

Transcrição

1 Universidade do Estado de Santa Catarina Pós-Graduação em Engenharia Civil Mestrado Acadêmico DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS Profa. Adriana Goulart dos Santos

2 DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS Dimensionar um pavimento significa determinar a espessura das camadas e tipos de materiais que a serem utilizados na sua construção De modo a conceber uma estrutura capaz de suportar um volume de tráfego preestabelecido, nas condições climáticas locais A fim de oferecer um desempenho desejável para as suas funções

3 No passado inúmeros métodos de dimensionamento de pavimentos foram elaborados Intuito de oferecer aos engenheiros um instrumento simples de cálculo e que pudessem se aplicados em várias situações de projeto A existência de métodos de dimensionamento distintos pode ser atribuído às condições ambientais, geológicas, pedológicas e de tráfego, além de diferentes opiniões entre técnicos A principal razão é a inexistência de uma descrição unânime e precisa de como ocorre a ruptura de uma estrutura de pavimento

4 Pode-se citar como diferença fundamental entre muitos métodos a utilização de critérios distintos de ruptura de estruturas de pavimentos São três tipos básicos de ruptura que permeiam os critérios de dimensionamento: Ruptura na qual se verifica que a estrutura do pavimento não mais suporta as cargas aplicadas e apresenta excessiva deformação plástica ===ruptura plástica e estrutural A ruptura estrutural mais explícita em muitos métodos é a ruptura por FADIGA

5 Quando o pavimento não serve mais usuário, em termos de conforto e segurança ao rolamento ===ruptura de natureza funcional ou operacional No decorrer dos anos, observaram-se muitas mudanças e avanços nos métodos de dimensionamento de pavimentos asfálticos Atualmente, pode-se afirmar que pavimentos se rompem por diversos fatores

6 Entre as causas mais associadas à repetição de cargas sobre a estrutura de pavimento, destacam-se: A fadiga é o principal responsável pelo trincamento de revestimentos betuminosos e de bases cimentadas; O acúmulo de deformações plásticas (permanentes) pela ação das deformações cisalhantes que ocorrem em camadas de misturas asfálticas, em materiais granulares e nos solos do subleito

7 Os métodos de projeto de pavimentos foram concebidos de duas maneiras distintas: Com base no desempenho observado no decorrer do tempo, obtidos pelas experiências de campo=== modelos empíricos Ou a partir de teoria elástica considerada adequada para a interpretação de fenômenos físicos quantificados em campo=== modelos semiempíricos e semiteóricos

8 MODELOS EMPÍRICOS: Aqueles obtidos a partir da observação da evolução do estado de condição dos pavimentos ===Sendo os parâmetros medidos em campo tabulados periodicamente e associados a grandezas como a repetição de cargas e a resistência de materiais Sua expressão mais intensa é o método da American Association of State Highway and Transportation Officials (1993), oriundo da AASHTO Road Test Os critérios empíricos apresenta limitação de seu campo de aplicação, uma vez que sua reprodutibilidade se restringe à áreas que possuem condições semelhantes daquela área que serviu para a experimentação observacional

9 MODELOS SEMIEMPÍRICOS: Aqueles gerados de extrapolações teóricas e racionais de modelo observacional obtido pelo acúmulo de dados e experiências ===Exemplo mais importante: Parametrização das estruturas de pavimentos por meio dos valores de California Bearing Ratio (CBR) de suas camadas O critério de CBR é amplamente empregado por agências federais, estaduais e municipais do Brasil

10 MODELOS SEMITEÓRICOS OU EMPÍRICO-MECANICISTAS Aqueles procuram avaliar o comportamento estrutural de sistemas de camadas como pavimentos === A parametrização dos materiais é realizada por meio do conhecimento empírico, laboratorial ou de pista, em termos de características mecânicas de materiais que comporão a estrutura do pavimento Trata-se do esquema mais promissor de evolução dos critérios de projeto É o único a permitir que, futuramente, aspectos relacionados à progressão de fratura dos materiais sejam absorvidos

11 DE MODO GERAL NÃO SE PODE AFIRMAR QUE UM CRITÉRIO SEJA ABSOLUTAMENTE VÁLIDO, OU COMPLETAMENTE SATISFATÓRIO Cada critério apresenta vantagens e desvantagens inerentes à consideração de parâmetros físicos e numéricos, bem como seu campo de aplicação Resumindo: Fonte: Balbo, 2007

12 BREVE HISTÓRICO DO DESENVOLVIMENTO DO CRITÉRIO DO CBR O critério do CBR é atribuído ao engenheiro O. J. Porter do California Division of Highways (CDH) É o primeiro método de dimensionamento de pavimentos flexíveis criado com bases estritamente empíricas == com considerável número de avaliações experimentais e laboratoriais O critério básico de ruptura adotado é o por cisalhamento do subleito e camadas granulares Causariam o aparecimento de sulcos nas trilhas de rodas (deformações permanentes)

13 Ainda nos últimos anos o método do CBR é utilizado em diversos métodos variantes para o dimensionamento de pavimentos flexíveis Como é o caso do Método do extinto DNER (atual DNIT) Usado como critério normativo oficial para projetos de pavimentos asfálticos O ensaio de CBR foi adotado pelo CDH no final da década de 20, quando inúmeros testes experimentais, em pistas e laboratórios, foram realizados com o objetivo de se fazer previsões sobre o desempenho dos diversos materiais utilizados em pavimentação

14 Os experimentos realizados permitiram quantificar, também, as espessuras de materiais mais nobres a serem colocados sobre o subleito Tendo em vista o valor de CBR desse solo de subleito Para que ficasse protegido contra os efeitos de deformações plásticas excessivas sob a ação de cargas de tráfego

15 Primeira curva (B) de dimensionamento de espessura de pavimentos flexíveis Fonte: Balbo, 2007 Representativa para o tráfego composto de pequenos caminhões com eixo carregado de libras ( cerca de 30kN) É considerada o primeiro modelo de projeto de espessura de pavimentos, pois limitava sob si as combinações do CBR do solo do subleito com espessuras de base em brita graduada que não resistiram à ação dos veículos

16 A curva B trata-se de uma relação empírica entre o CBR do subleito e a espessura de material granular sobre este (separando combinações que haviam funcionado ou não nas rodovias californianas nessa época) Os pontos abaixo da curva B indicam pavimentos que apresentaram ruptura (por deformações plásticas) durante os experimentos Os pontos acima da curva B apresentaram desempenho satisfatório Com a chegada do engenheiro Hveem à chefia do CDH, o critério do CBR foi engavetado, reaparecendo em início da década de 40.

17 A EXPANSÃO DOS AEROPORTOS NA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL (1942) A consolidação do critério de CBR como método de projeto de pavimentos flexíveis foi a partir da necessidade da construção de aeroportos militares durante a Segunda Guerra Mundial A retomada dos estudos, ainda de forma empírica, foi feita pelo United States Army Corp of Engineers (Usace), cujos resultados datam de 1942 Curva A representativa para cargas de libras de trens de pouso individuais de aeronaves pesada Fonte: Balbo, 2007

18 O EQUACIONAMENTO ESPESSURA X CBR Em 1956, o USACE apresentou a primeira equação de dimensionamento de espessuras de pavimento em função do valor de CBR da camada inferior, que correlaciona a espessura necessária do material sobre o subleito Levando em conta: O CBR do solo de fundação A carga de roda e a pressão de contato A equação somente será válida para valores de CBR não superiores a 12%: t= espessura de material granular sobre o subleito; p= carga de roda simples equivalente; pe= pressão de contato. Fonte: Balbo, 2007

19 Essa equação dimensiona uma espessura tal que a camada subjacente fica protegida contra rupturas plásticas por cisalhamentos Este é o conceito implícito no modelo de cálculo fundamentado no CBR da camada inferior Modelo espessura X CBR para ESDR de 80kN, nos padrões do USACE: Com o aumento do valor de CBR, é reduzida a espessura de material granular sobre o subleito para sua proteção contra ruptura por cisalhamento ou deformações plásticas excessivas Fonte: Balbo, 2007

20 Método do Extinto Departamento Nacional de Estradas e Rodagem O método do DNER (Souza, 1981) é uma variante do critério do CBR, simulando os efeitos de repetições de carga de um eixo padrão de libras (80kN) Foi concebido pelo professor Murilo Lopes de Souza, do IME-RJ, em meados de 1960, com última edição em Ábaco para dimensionamento de pavimentos flexíveis do DNER. Fonte Souza (1981) apud Balbo (2007) Fonte: Balbo, 2007

21 Definidos os valores de CBR do subleito e da camada de reforço de subleito (caso venha a ser utilizada), o dimensionamento é realizado com base no ábaco Para as camadas de base e sub-base, são exigidos valores mínimos de CBR, respectivamente, iguais a 80% e 20% As curvas de dimensionamento apresentadas no ábaco podem ser consolidadas em uma única expressão obtida por regressão linear múltipla:

22 Princípio de solução das espessuras das camadas com base no valor de CBR Fonte: Balbo, 2007

23 Kr, Kb, Ks e Kn == coeficientes de equivalência estrutural dos materiais de revestimento, base, sub-base e reforço de subleito Os valores das espessuras das camadas são: R = revestimento; B = base; h20= sub-base; hn= reforço de subleito. Coeficientes de equivalência estrutural dos materiais: Fonte: Souza (1981) apud Balbo (2007)

24 Fonte: Balbo, 2007 As espessuras H20, Hn e Hm, respectivamente, espessuras equivalentes (em termos de pedra britada graduada) sobre a sub-base, reforço do subleito e o subleito São determinadas em função do CBR dessas camadas (a de sub-base tem sempre seu CBR fixado em 20%) e do número de repetições de carga do eixo equivalente A espessura da camada de revestimento asfáltico é determinada em função do número N (nível de tráfego do projeto) Tendo base na experiência de campo e nos valores recomendados na AASHTO Road Test, Espessuras mínimas de revestimentos asfálticos

25 O método do extinto DNER, tendo em vista fundamentar-se no critério do CBR Apresenta como modo de ruptura Acúmulo de deformações plásticas causado pelos esforços de cisalhamento que ocorrem no subleito e nas demais camadas granulares ao longo do período de projeto Aspectos relacionados à fadiga de misturas asfálticas e de bases cimentadas não são levados em consideração Fica claro que trata-se de critério semiempírico

26 Condições e restrições gerais para o dimensionamento do pavimento:

27 Método da AASHTO (Versões de 1986 e 1993) Visão Geral O método de dimensionamento de pavimentos flexíveis da AASHTO (1993) fundamenta-se na análise estatística dos resultados obtidos da pista experimental da AASHTO A pista foi planejada a partir de 1951, e construída entre agosto de 1956 e setembro de 1958 Monitorada sob o tráfego entre outubro de 1958 a novembro de 1960, em Ottawa, no estado de Illinois (EUA) Durante a AASHTO Road Test, foram avaliados os efeitos de carga do tráfego, o que por meio de fatores de equivalência estrutural definidos ao final dos experimentos===estabelecimento de relação entre a repetição de cargas (80KN, eixo-padrão) com as espessuras das camadas e a perda de qualidade de rolamento em termos de valores de serventia

28 Método da AASHTO (Versões de 1986 e 1993) Visão Geral Entre os diversos resultados obtidos das pesquisas Estabelecimento de um modo de quantificar a condição de ruptura de um pavimento baseado na: Opinião subjetiva dos usuários Mensuração objetiva de determinados defeitos dos pavimentos Este modo de avaliação da condição de ruptura consiste na aferição da condição de serventia do pavimento A serventia pode ser definida como uma medida de quão o pavimento bem um pavimento, em dado instante, serve ao tráfego, com conforto e segurança ao rolamento

29 Método da AASHTO (Versões de 1986 e 1993) Visão Geral As equações de dimensionamento do método da AASHTO estão baseadas no binômio serventia-desempenho A equação que relaciona o tráfego (número N), a serventia e as espessuras das camadas para descrever o desempenho de dado pavimento no tempo, para pavimentos flexíveis, é: A equação foi determinada para testes que compreenderam, em cada seção, aplicações de carga não equivalentes; Todas as seções que atingiam o valor de serventia igual a 1,5 eram imediatamente recapeadas (reforçadas) com novo CAUQ antes da continuação dos testes.

30 Método da AASHTO (Versões de 1986 e 1993) Visão Geral Conhecidos o número de repetições de carga do eixopadrão ao longo do horizonte de projeto, o nível de confiança de projeto e as condições de suporte do subleito Determinação do número estrutural (SN) que deverá possuir o pavimento Perda de serventia em função do módulo de resiliente do subleito (SN=4) Fonte: Balbo, 2007 Perda de serventia em função do número estrutural (Mr=100MPa)

31 Coeficientes de equivalência estrutural O coeficiente de equivalência estrutural de uma camada, expressa: Uma relação empírica entre o número estrutural (SN) e a espessura da própria camada Uma medida da capacidade relativa do material para atuar como componente estrutural de dado pavimento, dissipando pressões sobre as camadas inferiores A AASHTO apresenta diversas formas para a obtenção desse coeficiente por meio de correlações com outras propriedades mecânicas de materiais (CBR, Mr, etc)

32 Coeficientes de equivalência estrutural dos materiais: Fonte: AASHTO, 1993 apud Balbo, 2007

33 Espessuras mínimas para as camadas: A AASHTO sugere os valores mínimos para as espessuras das camadas, como ponto de partida para a solução: Fonte: AASHTO, 1993 apud Balbo, 2007

34 Determinação das espessuras das camadas: As espessuras das camadas são determinadas pelos seguintes passos: a) Determinação dos números estruturais necessários sobre o subleito (SN3), sobre a sub-base (SN2) e sobre a base (SN1) Para isso, deverá ser utilizada a equação de dimensionamento do método O cálculo dos números estruturais necessários sobre o subleito, a sub-base e a base é realizada com a utilização do Mr representativo de cada uma dessas camadas

35 Determinação das espessuras das camadas: b) A espessura do revestimento é calculado pela expressão: D 1 = SN 1 a 1 c) A espessura da base é calculada pela expressão: D 2 = SN 2 SN 1 a 2 m 2 d) A espessura da sub-base é calculada pela expressão: D 3 = SN 3 SN 2 a 3 m 3

36 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Balbo, J. T. Pavimentação Asfáltica: materiais, projeto e restauração. Oficina de Textos, São Paulo, Sória, M.H.A. Projeto de Pavimentos. Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, Departamento de Transportes, São Carlos-SP, 1987.