Dimensionamento de pavimentos

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1 Dimensionamento de pavimentos Consiste em: calcular as espessuras das camadas especificar as características dos materiais dessas camadas por forma a limitar, durante a vida de projecto, a ocorrência de degradações. Recolha de dados Concepção do pavimento Modelo de comportamento estrutural. Cálculoσ/ε. Alterar geometria Alterar materiais Análise dos modos de degradação. Avaliação de resistência Critérios de dimensionamento Não σ, ε satisfaz critério? Sim Análise do projecto 1

2 Manual de Concepção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional (JAE, 1995) Recolha e sistematização dos dados Definição das estruturas de pavimento possíveis 2

3 Tráfego 3

4 Veículo pesado: Veículo de peso bruto igual ou superior a 3 tf Classes: F, G, H, I, J e K (IEP) 4

5 (TMDA) (TMDA) p tráfego médio diário anual de veículos pesados no ano de p tráfego médio diário anual de veículos pesados no ano de abertura, abertura, por por sentido sentido e e na na via via mais mais solicitada solicitada Quadro 2.1 Classes de tráfego Quadro 2.2 Percentagem de tráfego na via mais solicitada Quadro 2.3 Período de dimensionamento Quadro 2.4 Taxa média de crescimento anual 5

6 Quadro 2.5 Factores de agressividade do tráfego Quadro 2.6 Elementos relativos ao tráfego 6

7 Consideração do tráfego no dimensionamento Estudo de tráfego TMDA Percentagem de pesados Tráfego médio diário anual de veículos pesados no ano de abertura, por sentido de circulação, na via mais solicitada (TMDA) p Período de dimensionamento (p) Taxa média de crescimento anual (t) Número acumulado de veículos pesados NAVP Factor de agressividade (a) Número acumulado de passagens do eixo padrão N dim = a NAVP NAVP = 365 ( TMDA) p C p Factor de crescimento de tráfego: C = ( 1 + t) p 1 p t 7

8 Condições climáticas Temperatura Pluviosidade Ex: Ex: Precipitação w Pavimento Fundação w w W entrada de água NF 8

9 Método da Shell 9

10 Fundação Quadro 4.1 Classes de fundação Quadro 4.2 Classes de terrenos de fundação 10

11 Quadro 4.3 Características das classes de terrenos de fundação 11

12 Quadro 4.5 Classes de solos tratados Quadro 4.6 Camada de leito em materiais não ligados Quadro 4.7 Camada de leito em materiais tratados com ligantes hidráulicos (As espessuras são dadas em cm) 12

13 Estruturas tipo Materiais: BD betão betuminoso em camada de desgaste MB macadame betuminoso em camada de regularização MBD mistura betuminosa densa em camada de regularização SbG material britado sem recomposição (tout-venant) aplicado em camada de sub-base 13

14 Materiais de pavimentação Composição das misturas betuminosas M V M b M a V v V b V a + V ba M a massa do agregado M b massa do betume V a volume do agregado V b volume do betume efectivo V ba volume do betume absorvido V v volume dos vazios Relações gravimétricas: M = M a + M b P P Mb = M Ma = M b a 100% 100% Pa + Pb = 100% Relações volumétricas: V V V V' = V V' = V V' = V a a b b v v 100% 100% 100% Va + Vb + Vv = 100% 14

15 Método da Shell Materiais granulares E mg = k E f k 0,45 = 0,2 h 2 < k mg < 4 E mg módulo de deformabilidade da camada granular E f módulo de deformabilidade da fundação h mg espessura da base, em mm Misturas betuminosas E m = S b 1+ 2,5 Cv n 1 C n = 0, 83 log S b C Va v = V a + V b v n Sb = 1, t 0,368 2,718 I Pr T ABr T t = 1 velocidade (km / h) (segundos ) ( ) 5 P r logpr IPr = 50 logp T = 0, 65 P T = 98, 4 26, 4 log P i r ABr AB r 20 T AB 120,1 r r 15

16 Método da Shell Determinação do módulo de rigidez do betume 16

17 Método da Shell Determinação do módulo de rigidez da mistura betuminosa 17

18 Características de deformabilidade dos materiais granulares Método da JAE Código Módulo de deformabilidade (E) Coeficiente de Poisson (ν) BGr BG SbG GN SS 2,5 E camada inferior 2 E camada inferior 2 E camada inferior 1,5 E camada inferior 1,2 E camada inferior 0,35 0,35 0,35 0,35 0,40 Quadro 5.2 do Manual de Concepção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional (JAE, 1995) Tipologias: Material britado recomposto em central (BGr) Material britado sem recomposição (tout-venant) aplicado em camada de base (BG) Material britado sem recomposição (tout-venant) aplicado em camada de sub-base (SbG) Material não britado (GN) Solo seleccionado (SS) 18

19 Análise estrutural Método das camadas finitas Modelo de Burmister r p h 1, E 1, ν 1 h 2, E 2, ν 2 Camadas elásticas Interface: aderência ou deslizamento E n, ν n Simetria de revolução σ z σ θ σ r Ex: Programa ELSYM5 (Universidade de Berkeley) 19

20 Método dos elementos finitos Modelo bidimensional r(m) z (m) Modelo tridimensional 20

21 Representação das acções Eixo padrão de 80 kn Eixo padrão de 130 kn 226 mm 150 mm 226 mm 250 mm 125 mm 250 mm F F F F σ σ σ σ Carga F = 20 kn Pressão de contacto σ = 500 kpa Carga F = 32,5 kn Pressão de contacto σ = 662 kpa 21

22 25 cm 12,5 cm 25 cm 32,5 kn 32,5 kn 662 kpa 662 kpa Camada betuminosa Camada granular E = MPa; ν = 0,40 E = 250 MPa; ν = 0,35 12 cm 30 cm x Solo de fundação E = 70 MPa; ν = 0,35 y z EXEMPLO DO MANUAL FF FF FF

23 1 ELSYM5 5/80-3A ELASTIC LAYERED SYSTEM WITH ONE TO TEN NORMAL IDENTICAL CIRCULAR UNIFORM LOAD(S) 0 ELASTIC SYSTEM 1-0 Z=.43 LAYER NO 3 0 X= Y= NORMAL STRESSES SXX.2081E E+00 SYY.2863E E+01 SZZ E E+02 0 SHEAR STRESSES SXY.0000E E+00 SXZ.0000E E+01 SYZ.0000E E+00 0 PRINCIPAL STRESSES PS E E+01 PS E E+00 PS E E+02 0 PRINCIPAL SHEAR STRESSES PSS1.2203E E+02 PSS2.1327E E+00 PSS3.2070E E+02 0 DISPLACEMENTS UX.0000E E-04 UY.0000E E+00 UZ.5259E E-03 0 NORMAL STRAINS EXX.1946E E-03 EYY.2458E E-03 EZZ E E-03 0 SHEAR STRAINS EXY.0000E E+00 EXZ.0000E E-03 EYZ.0000E E+00 0 PRINCIPAL STRAINS PE E E-03 PE E E-03 23

24 Critérios de dimensionamento Pavimentos flexíveis A passagem repetida dos veículos nos pavimentos conduz a dois tipos de extensões nos solos de fundação e nas misturas betuminosas: extensões reversíveis que se traduzirão em esforços de tracção na base das camadas betuminosas responsáveis pelo fenómeno de fadiga e, consequentemente, pela degradação por fendilhamento extensões permanentes que evoluem no tempo com a passagem do tráfego e contribuem para o aumento da profundidade das rodeiras 24

25 Critérios de dimensionamento: Fadiga das misturas betuminosas Extensão horizontal de tracção e t na base das camadas betuminosas Deformações permanentes Extensão vertical de compressão e z no topo dos solos de fundação Modelos de degradação: log ε ε = a b N log N ε valor da extensão ε t - ε z - N número de aplicações de carga extensão horizontal de tracção na base das camadas betuminosas (fendilhamento por fadiga) extensão vertical de compressão no topo dos solos de fundação (deformações permanentes) a, b parâmetros característicos dos materiais 25

26 Fendilhamento por fadiga Curva de fadiga σ σ j i = 1 + β log N σ i ou σ j σ j = a N b N i N j Tempo 26

27 Método da Shell Fendilhamento por fadiga ε t 0,36 0, 2 ( 0,856V + 1,08) S = N b mist S mist módulo de rigidez da mistura betuminosa (N/m 2 ) V b teor volumétrico em betume (%) Deformações permanentes ε z = a N b Fiabilidade a ( 10-2 ) b 85% 2,1-0,25 95% 1,8 27

28 Método da Shell Fendilhamento por fadiga dos materiais betuminosos 28

29 Avaliação das características dos pavimentos Objectivos Apoiar a programação das acções de conservação Verificar e aperfeiçoar os métodos de dimensionamento Fornecer dados para a melhoria das técnicas de construção e conservação Fornecer dados para o desenvolvimento de modelos de previsão do comportamento dos pavimentos Fases 1. Observação (auscultação) 2. Análise dos dados observados 29

30 Parâmetros de estudo e tipo de avaliação Avaliação estrutural Definir o estado da estrutura do pavimento tendo em conta o tráfego passado e as condições climáticas Avaliação funcional Definir a qualidade do pavimento, face às exigências dos utentes da estrada (conforto, segurança, economia) Parâmetros de estado Deflexão Tipo de avaliação Estrutural Funcional *** Degradações superficiais Irregularidade (longitudinal e transversal) Atrito ** * * *** ** *** muito importante ** importante * pouco importante 30

31 Avaliação das características estruturais Ensaios de carga não destrutivos: Carga rolante Carga estacionária: (carga aplicada ao pavimento num dado local fixo) Cargas estáticas Cargas dinâmicas Avaliação das características superficiais Degradações superficiais Irregularidade longitudinal Irregularidade transversal Atrito 31

32 Ensaio de carga Deflectómetro de impacto (FWD Falling Weight Deflectometer) 32

33 Ensaio de carga Deflectómetro de impacto Princípio do ensaio F Placa de ensaio 60 cm 45 cm 30 cm 250 cm 150 cm 90 cm Transdutor de deslocamento Deflexão D0 Misturas betuminosas Materiais granulares Fundação 33