Solicitações de carga em movimento no pavimento em concreto asfálticos

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1 Solicitações de carga em movimento no pavimento em concreto asfálticos Leto Momm - leto.momm@gmail.com Universidade Federal de Santa Catarina Breno Salgado Barra - brenobarra@gmail.com Universidade Federal de Santa Catarina Gustavo Garcia Otto - otto.gus@gmail.com Universidade Federal de Santa Catarina Yader Alfonso Guerrero - yagcivil@gmail.com Universidade Federal de Santa Catarina Resumo O objetivo principal do texto é discorrer sobre as respostas da estrutura do pavimento à passagem de uma carga em movimento. Sensores colocados dentro da estrutura do pavimento em pista experimental em diversas posições e profundidades revelam sinais de deformação distintos, tanto em direção longitudinal quanto transversal ao deslocamento da carga. O sinal de deformação na camada inferior do concreto asfáltico no ponto de passagem da carga é alternado em distensão-contraçãodistensão, e o sinal de deformação na superfície é alternado em contração-distensão-contração. A alternância de sinal de deformação no concreto asfáltico impõe esforços diversos aos equipamentos de pesagem em movimento nele inseridos. Os sensores colocados na pista medem a evolução das tensões superficiais do pneu no pavimento. Os resultados revelam que as tensões se distribuem de modo diverso para os pneus com maior ou menor pressão de insuflagem e carga. A área de contato não é circular, como é considerada no dimensionamento, indicando a impropriedade da suposição da carga circular. Os resultados das medições indicam a necessidade de considerar a área de contato de modo diverso do circular. A avaliação do dano das cargas ao pavimento dá-se considerando a viscoelasticidade do pavimento, a temperatura equivalente do pavimento e a velocidade da solicitação, tendo em conta o módulo complexo e a fadiga no domínio das pequenas deformações. Esses parâmetros afetam os algoritmos de pesagem em movimento, com o uso da técnica de inserção de equipamentos na camada superficial do pavimento. Palavras-chave: Solicitações no pavimento, Cargas em movimento, Modelação. Abstract Load in motion solicitations on asphalt pavement This work describes asphalt pavement structural answer to load in motion. Sensors installed at several locations and depth within the pavement of an experimental track, recorded distinct strain signs in both longitudinal and transversal direction to the load's movement. The deformation signs, under the applied load, alternated in cycles of distension-contraction-distension in the lower layer and contraction-distension-contraction at the surface. These variations in deformation signs yield different superficial tensions to equipments devised to weigh loads while in motion. Sensors also measured the evolution of superficial stresses due to tires. Results indicate a diverse distribution of stresses varying with load and tire inflation pressure. The superficial contact area is not circular, as commonly considered during design, indicating the need of considering a contact area other than circular. Sensors installed at the surface allow the weighting in motion. Evaluation of damage to the pavement should consider material viscoelasticity, equivalent pavement temperature, load velocity, complex modulus, and fatigue in the small strain domain. These parameters influence algorithms designed to weigh-in motion based on instruments installed at the pavement's surface. 1

2 Keywords: pavement loading, load in motion, Modeling 1 Introdução Do ponto de vista estrutural, o pavimento rodoviário deve resistir, notadamente, às diversas solicitações do tráfego, em todos os pontos da estrutura, desde a superfície de contato com o pneu do veículo até as camadas mais profundas. Assim, as dimensões das diversas camadas dependem de dois dados fundamentais que são o tráfego e a capacidade de suporte do solo. A partir da superfície em direção às camadas mais profundas, os materiais devem atender a duas funções fundamentais: as condições superficiais do pavimento quanto à segurança e ao conforto e, as propriedades que garantam um comportamento estrutural adequado, principalmente no que se refere ao módulo de rigidez e à ruptura por fadiga. Desta forma, os materiais a serem usados nas camadas superficiais devem ser selecionados de modo a otimizar as propriedades inerentes aos fenômenos que interferem na segurança e no conforto. Por outro lado, os materiais das camadas estruturais devem ser selecionados de modo a otimizar as propriedades estruturais, que por sua vez também podem afetar as funções de segurança e conforto, se inadequadamente definidos. Para que seja possível selecionar adequadamente os materiais e definir as dimensões da estrutura do pavimento é necessário, primeiramente, conhecer os tipos de deformações e tensões a que os materiais da estrutura do pavimento são submetidos por ação das cargas repetidas e itinerantes do tráfego. Somente a partir do conhecimento dos tipos de sinais de deformação e de tensão que ocorrem em todos os pontos da estrutura do pavimento, torna-se possível simular em laboratório estas solicitações, a fim de caracterizar as propriedades dos materiais. Para que seja possível conhecer as deformações e tensões na estrutura do pavimento, é indispensável conhecer precisamente as solicitações das cargas rolantes sobre o pavimento. Diversas técnicas de medição das cargas em movimento estão em uso, das quais o texto ocupa-se das tecnologias que incrustram equipamentos de medida na superfície do pavimento. Nestas tecnologias, referidas como WIM, sinais são captados nos instantes da passagem da carga que são modelados de modo a equivaler à carga que passou sobre a superfície do pavimento. No entanto, estes sinais emitidos por estes equipamentos incrustrados no pavimento podem ser afetados pelo comportamento da estrutura do pavimento, que interage com o equipamento. O texto discorre inicialmente sobre a determinação dos sinais obtidos de sensores colocados em diversas posições dentro da estrutura, tais como nas posições próximas à superfície e na posição da linha inferior da camada da estrutura em concreto asfáltico, medindo os sinais em sentido longitudinal e transversal, com situações de diferentes velocidades de deslocamento e intensidades, sendo ambas as variáveis relacionadas ao carregamento aplicado. Em seguida, o texto ocupa-se com as tensões e deformações nas camadas granulares da estrutura. Em um terceiro momento, o texto trata das tensões na superfície de contado do pneu, em situações de diferentes cargas dos veículos e de diversas pressões de insuflagem dos pneus. Em sequência, o texto ocupa-se das tensões tangenciais a que as camadas superficiais estão submetidas. Por fim, conclui pela recomendação da necessidade de levar em conta, na modelação da pesagem em movimento, a resposta do pavimento. 2 As solicitações nos pavimentos de concreto asfáltico As cargas repetidas, itinerantes e em movimento impõem solicitações particulares às diversas camadas do pavimento, que indicam os ensaios particulares a serem realizados em laboratório, de modo a melhor simular as situações de campo. 2.1 As deformações na estrutura de pavimentos em concreto asfáltico As medições das deformações nas fibras inferiores das camadas de concreto asfálticos já foram feitas na década de 60 do século passado, nas pistas de teste de Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC), de Nantes, França. A partir destas determinações, Huet (1963) desenvolveu a modelação do comportamento viscoelástico do concreto asfáltico no plano Cole-Cole em sua tese de doutorado, que passou a ser aplicado na formulação das misturas de concreto asfáltico e no dimensionamento das 2

3 estruturas dos pavimentos. No entanto, mais recentemente, Perret (2003) realizou uma pesquisa em que mediu as deformações nas faces inferior e superior da camada de concreto asfáltico, em diferentes velocidades de deslocamento das cargas, a diversas temperaturas, sob diversas pressões de insuflagem dos pneus e diversas cargas e, em posições distintas da estrutura. A forma geral do sinal de deformação horizontal longitudinal registrado dentro da camada de concreto asfáltico, na posição vertical à passagem da carga na linha inferior da camada, no instante em que é solicitada, apresenta alternância dos sinais de deformação de contração-extensão-contração (Figura 1). Figura 1 -Exemplo de sinal típico de deformação embaixo na camada de concreto asfáltico (Perret, 2003) Por outro lado, o sinal de deformação longitudinal gerado no mesmo ponto de aplicação do carregamento, porém, analisando agora a face superior da camada de concreto asfáltico, apresenta uma forma geral distinta daquela relativa à fibra inferior, demonstrando também a ocorrência de alternância de sinal deformação, enquanto as deformações transversais não sofrem a alternância de sinal de deformação (Figura 2). Figura 2 Exemplo de sinal típico de deformação na face superior na camada de concreto asfáltico (Perret, 2003) O pico de contração da deformação longitudinal na face superior (Figura 2) revela uma região de irregularidades, sendo um reflexo da influência do tamanho da área de contato pneu-pavimento, e picos de extensão em momentos antes e após a passagem da carga. Os sinais gerados, individualmente, pelas deformações longitudinais revelam alternância de sinal, contudo com picos de valores absolutos bem diversos. No entanto, justapondo os sinais das deformações longitudinais, no topo e na base da camada de concreto asfáltico, verificam-se valores em 3

4 mesma ordem de grandeza, de tal forma a proporcionar a solicitação de flexão alternada na camada de concreto asfáltico. Situação idêntica ocorre com a superposição das deformações transversais. A partir desta constatação da alternância de sinal de solicitação na estrutura do pavimento, com a passagem das cargas repetitivas e itinerantes, verifica-se que estes equipamentos de medição das cargas, incrustados na camada superficial do pavimento são submetidos a deformações de extensão contração extensão com a passagem da carga rolante. Os engenheiros de laboratórios e os pesquisadores ocuparam-se em estudar o comportamento dos materiais usados nos pavimentos e, primordialmente, o comportamento viscoelásticos dos concretos asfálticos. A partir da tese de Huet (1963), a viscoelasticidade passou a ser modelada no domínio frequencial e de temperatura na representação do módulo complexo no plano Cole-Cole. Materiais viscoelásticos tem comportamento dependente da velocidade da solicitação e da temperatura, e podem ser bem modelados em função da velocidade de deslcamento da carga e da temperatura. É óbvio que diferentes valores de cargas deformam diferentemente a estrutura do pavimento, no entanto, os pneus podem estar com pressão de insuflagem diferentes, embora os efeitos de diferentes valores de carga nas deformações sejam mais fortes que os diferentes valores de pressão de insuflagem dos pneus (Figura 3). Figura 3 -Exemplo de deformações em baixo na camada de concreto asfáltico, estrutura de 17cm (Perret 2003) Os efeitos das temperaturas ambientes são muito fortes nos valores das deformações na camada de concreto asfáltico (Figura 4), quer na camada superficial, quer nas camadas mais profundas. Em diferentes temperaturas, a resposta do pavimento é diversa, e consequentemente, os equipamentos de medição nele incrustado são deformados de modo diverso. As temperaturas mais elevadas impõem maiores deformações na camada de concreto asfáltico, tanto no sentido longitudinal quanto no transversal. Isto indica que a matriz de rigidez deve ser determinada a diferentes temperaturas com a finalidade de verificar os módulos de rigidez no domínio das temperaturas ambientes. 4

5 Figura 4 -Exemplo de deformações na face inferior da camada de concreto asfáltico a diferentes temperaturas, em uma estrutura com 17cm de espessura (Perret 2003) As deformações na camada superior do concreto asfáltico são, inclusive, de valores diferentes em instantes antes da passagem da carga e depois da passagem da carga, em função da temperatura. É nesta posição do pavimento que os equipamentos de medição da carga estão incrustados, e são submetido a deformações horizontais de extensão contração extensão. 2.2 Solicitações superficiais: Pressão de contato do pneu Os dimensionamentos dos pavimentos assumem as hipóteses de área de contato do pneu com o pavimento ser circular e de pressão de contato uniforme, ainda assim, resta conhecer como são decompostas as tensões no contato pneu-pavimento, ainda que a hipótese de que a pressão de insuflagem dos pneus seja uniforme na área de contato. Portanto, a pergunta que se apresenta é: estas hipóteses são reais no campo? Recentemente, De Beer (2009) desenvolveu um equipamento especial para a pesagem dos veículos de carga em movimento que determina as tensões tridimensionais (Figura 5). 5

6 Figura 5 -Equipamento de medição das tensões tridimensionais em movimento (De Beer, 2008) Para a situação de uma mesma pressão de insuflagem, mas com valores de carga crescente, observamse valores de pressão maior nos flancos dos pneus para as cargas maiores (linha superior da Figura 6). Por outro lado, altas pressões de insuflagem dos pneus e cargas menores produzem concentração de tensões na região central da área de contato. Para que a pressão de contato seja mais próxima de uma situação de uniformidade, é necessário que a pressão de insuflagem dos pneus seja otimizada c om a carga. Ainda que se alcance a uniformidade de pressão de contato, a hipótese da área de contato ser considerada circular, para o dimensionamento do pavimento, está muito longe da realidade (Figura 7). A impressão retangular não é circular e nem a pressão é uniforme. Este afastamento das hipóteses assumidas da realidade impõe grandes diferenças de deformações, especialmente na superfície do pavimento, e por consequência, os equipamentos nele incrustados. Este equipamento possibilita ter conhecimento tridimensional da repartição da pressão em movimento livre e à pequena velocidade. Embora este equipamento seja incompatível com situações de frenagem e trajetória em curva, ele revela a variação da pressão de contato com diferentes pressões de insuflagem, diferentes tipos de pneus e particularidades da área de contato relevantes para os engenheiros encarregados do dimensionamento dos pavimentos. As medições realizadas por De Beer (2008) mostram que a pressão de contato não é uniforme (Figura 6). 6

7 Florianópolis - Santa Catarina - Brazil April 3rd to 7th Figura 6 -Variação da pressão de contato, em função da carga e da pressão de insuflagem (De Beer, 2008) Figura 9 -Impressão da pressão de contato de pneus duplos (De Beer, 2008) 2.3 A pesagem em movimento e o dano ao pavimento A determinação do ciclo existencial dos pavimentos é ocupação dos engenheiros que se interessam pela pesagem em movimento e dos que se interessam pela definição das estruturas dos pavimentos. Enquanto os engenheiros que se interessam pela definição da estrutura do pavimento ocupam-se em simular, em laboratório, o comportamento dos materiais às situações de campo e em modelar 7

8 precisamente o comportamento destes materiais, os engenheiros que se interessam pela pesagem das cargas em movimento ocupam-se em modelar os sinais obtidos das solicitações em campo para fins de valoração das cargas. A estimativa do ciclo existencial do pavimento só é possível com a interação da compreensão do comportamento da estrutura com os valores das medidas solicitações das cargas. Ainda que se busque os valores da pesagem em movimento para fins de fiscalização, a avaliação dos danos ao pavimento só é possível com o preciso conhecimento das solicitações das cargas em movimento e a compreensão aprimorada do comportamento dos materiais do pavimento, levando em conta a viscoelasticidade dos materiais, a velocidade das cargas em movimento, as temperaturas equivalentes dos locais, e as particularidades do pavimento. 3 Discussão dos resultados Os ensaios de laboratório somente possuem utilidade, caso sirvam como parâmetros para o dimensionamento da estrutura do pavimento e para atenderem às condições de conforto e segurança dos usuários. Desta forma, a regra para a escolha dos ensaios deve ser em função da proximidade com que simulam as solicitações impostas no campo. Deste modo, se a camada de concreto asfáltico é solicitada à flexão alternada, inequivocamente, o material deve ser testado em laboratório por idêntico tipo de solicitação. Estes parâmetros de laboratório são usados para a modelação que revelam a matriz de deformações e tensões em todos os pontos da estrutura do pavimento, inclusive no contato com os equipamentos de medição das cargas, incrustados no pavimento, no domínio da carga em movimento. Os concretos asfálticos são materiais constituídos de misturas que contêm ligantes betuminosos e materiais granulares obtidos da britagem de rochas, cujos tamanhos das partículas variam da ordem de centímetros até micrômetros. Os ligantes betuminosos são materiais viscoelásticos e suscetíveis à temperatura e à frequência de solicitação. Assim sendo, os concretos asfálticos herdam as propriedades viscoelásticas dos ligantes e seu comportamento deve ser descrito no domínio complexo frequencial (De La Roche, 1996; Momm, 1998). Os ensaios de laboratório devem testar os concretos asfálticos no domínio das freqüências e de temperaturas dos limiares de campo, ou seja, sob solicitação à flexão alternada no domínio das pequenas deformações. Os parâmetros essenciais para o dimensionamento, que são a matriz de rigidez no domínio complexo e os limiares de deformação, são introduzidos nos sistemas de cálculo que resultam da modelização da viscoelasticidade e da relaxação no domínio frequencial, tendo em conta as temperaturas e a velocidade de rolamento das cargas. Os equipamentos de medição das cargas, incrustados no pavimento, são afetados pela estrutura do pavimento, nos instantes de passagem da carga rolante em função da velocidade da carga rolante e da temperatura nos instantes da medição. Resta necessário que os sinais dos equipamentos de medida das cargas sejam modelados incluindo os efeitos dos pavimentos de concreto asfáltico sobre eles, afim de ajustar perfeitamente as medidas das cargas. Os pavimentos de concreto asfáltico são deformados em função da temperatura, da velocidade de rolamento da carga, da pressão de insuflagem do pneu, da carga. A modelação dos sinais do esquipamentos das cargas, ao incorporar a influência do pavimento sobre eles, conduz à redução da dispersão das medições das cargas. 4 Conclusão Para assegurar que as solicitações do tráfego sejam mantidas nos limites de resistência dos materiais, estes, necessariamente, devem ser ensaiados por testes que simulem perfeitamente as situações de solicitação a que são submetidos no campo, a modelização utilizada no dimensionamento deve incorporar o comportamento particular de cada material e, no caso dos concretos asfálticos, a viscoelasticidade no domínio frequencial. A modelação dos pavimentos em concreto asfáltico, levando em conta a viscoelasticidade dos 8

9 concretos asfálticos no domínio frequencial possibilita mapear a matriz de deformações e tensões na estrutura do pavimento em função da velocidade de rolamento da carga e da temperatura nos instantes da passagem da carga rolante. Um aprimoramento desta avaliação ainda é possível, para considerar os efeitos das diferentes pressões de contato dos pneus, em função das diferentes pressões de contato. As considerações das iterações do pavimento às solicitações das cargas rolantes com os equipamentos nele incrustados para medir as cargas se fazem indispensáveis à modelação das medições das cargas em movimento, na elaboração dos algoritmos. 5 Referências bibliográficas Huet, C. (1963). Étude par une Méthode d Impedance du Comportement Visco-Élastique des Matériaux Hydrocarbonés. Thèse de Docteur-Ingénieur, Faculté de Sciences de Paris. Perret, J. (2003). Déformations des Couches Bitumineuses au Passage d une Charge de Trafic. Thèse de Docteur en Sciences, Faculté Environnement Naturel, Architectural et Construit, Lausenne. De La Roche, C. (1996). Module de Rigidité et Comportement en Fatigue des Enrobés Bitumeneux: Experimentation et Nouvelles Perspectives d Analyse. Thèse de Doctorat, École Central de Paris. De Beer, M. (2008). Stress in Motion (SIM) A New Tool for Road Infrastructure Protection. International Sympósium on Weigh-in-Motion HVParis2008. Proceeding CD, Paris. Momm, L. (1998). Estudo dos Efeitos da Granulometria sobre a Macrotextura Superficial do Concreto e seu Comportamento Mecânico, Tese de Doutorado, Universidade de São Paulo. 9