SENSIBILIDADE DOS PAVIMENTOS FLEXÍVEIS A PARTIR DE ANÁLISES EMPÍRICO-MECANÍSTICAS

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1 SENSIBILIDADE DOS PAVIMENTOS FLEXÍVEIS A PARTIR DE ANÁLISES EMPÍRICO-MECANÍSTICAS Thaís Ferrari Réus Heliana Barbosa Fontenele

2 SENSIBILIDADE DOS PAVIMENTOS FLEXÍVEIS A PARTIR DE ANÁLISES EMPÍRICO-MECANÍSTICAS Thaís Ferrari Réus Heliana Barbosa Fontenele Universidade Estadual de Londrina Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Edificações e Saneamento RESUMO O dimensionamento empírico mecanístico de pavimentos representa de forma mais fidedígna as condições de campo, tanto quanto ao tráfego quanto aos materiais empregados. Sendo assim, o conhecimento da influência das variáveis de projeto no desempenho do pavimento se torna de suma importância para a elaboração de projetos. Desta forma, este trabalho pretende avaliar os efeitos causados pela variação de espessuras e módulos de elasticidade, bem como do tráfego no desempenho do pavimento flexível, de forma comparativa, utilizando o programa Elsym5 e o método empírico-mecanístico da AASHTO. Com esse trabalho será possível avaliar a os parâmetros e seus efeitos no desempenho estrutural do pavimento, contribuindo para o projeto das vias da região, evitando seu subdimensionamento e o consequente fim precoce de sua vida útil. 1. INTRODUÇÃO Devido aos avanços relacionados às pesquisas que visam representar o comportamento das estruturas mediante as solicitações do tráfego, espessuras e propriedades dos materiais constituintes das camadas, atualmente observa-se uma tendência de substituição dos métodos puramente empíricos pelos empíricos-mecanísticos. Um dos métodos mais recentes desenvolvidos para este fim é o proposto pela National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) no projeto 1-37 A, o método AASHTO 2002, que inseriu o conceito de caracterização do tráfego por meio dos espectros de carga por eixo (Axle Load Spectra). O programa computacional ELSYM5, que permite a determinação de respostas estruturais do pavimento, também tem sido muito utilizado em estudos para a avalição de desempenho de pavimentos por meio do método empírico-mecanístico. Sendo assim, este trabalho pretende analisar comparativamente os efeitos que a variação de espessuras e módulos de elasticidade das camadas, bem como do tráfego, provocam nas respostas estruturais referentes à tensão de tração na fibra inferior do revestimento ( t,1 ) e de compressão no topo do subleito ( v,3 ), e consequentemente no desempenho do pavimento flexível, verificado por meio do programa ELSYM5 e do método empírico-mecanístico da AASHTO. 2. REFERENCIAL TEÓRICO Os modelos empíricos-mecanísticos de dimensionamento são baseados nas relações de causa e efeito, ou seja, por meio das solicitações se determinam as respostas estruturais do pavimento e a partir disto procura-se entender os mecanismos de deterioração que são observados em campo. Dessa forma, a análise do pavimento por tal método parte de uma estrutura pré-dimensionada para a qual são determinadas as respostas estruturais e calculados os danos acumulados durante a vida útil de projeto. A partir dos resultados obtidos é verificado se o comportamento de tal estrutura atende aos critérios de projeto, caso estes não sejam atingidos são realizadas variações nos parâmetros de projeto, como os módulos de elasticidade e espessuras das camadas, até que a condição estabelecida seja alcançada (Fernandes Júnior et al. 2007; Fontenele, 2011). 1

3 Assim, percebe-se que o conhecimento dos efeitos proporcionados por cada parâmetro permitirá ao projetista variar diretamente a propriedade necessária à solução do problema apresentado na análise. Além disso, é importante examinar a habilidade do guia de projetos da AASHTO em avaliar o impacto de um problema (subleito fraco, por exemplo) e a informação que ele fornece para auxiliar o projetista na busca de uma alternativa de dimensionamento. Portanto, é importante avaliar a sensibilidade do método a ser usado antes de usá-lo na prática, sendo a análise de sensibilidade uma distribuição da variabilidade dos resultados de um modelo para suas diversas variáveis (Schwartz et al. 2013). Schwartz et al. (2013) verificou em seu trabalho que a maior sensibilidade dos defeitos do pavimento é quanto a variação da espessura do revestimento, sendo que as trincas por fadiga e longitudinais também apresentaram sensibilidade para a variação da espessura da base. A variação da espessura e do material constituinte da camada de base na formação das trincas por fadiga e afundamentos na trilha de roda foi verificada por Massad (2004). Em seu trabalho foi observado que estas variações influenciam diretamente na quantidade de trincas de por fadiga, porém não influenciavam no aparecimento de afundamentos. Shahji (2006) constatou em seu trabalho que a variação da espessura do revestimento contribui para a formação de trincas, enquanto a variação do módulo de elasticidade do subleito e das espessuras da base e sub-base contribui pouco para o surgimento deste tipo de defeito. Também foi averiguado em sua pesquisa que o afundamento nas trilhas de roda é mais afetado pela variação da espessura do revestimento e das cargas de tráfego. 3. MÉTODO DE PESQUISA 3.1. Dados de tráfego As cargas de tráfego serão determinadas a partir dos espectros de carga desenvolvidos por Fontenele (2011) com dados de pesagem do posto do km 28 da Rodovia dos Imigrantes em 2008, no estado de São Paulo. O volume diário médio anual (VDMA), a ser utilizado, foi extraído da estatística de tráfego da Agência de Transporte do Estado de São Paulo (ARTESP), obtidos a partir de contagens no km 32,381 (Piratininga sentido sul) da rodovia SP 160, e por sensores de tráfego no Km 38,04 (Piratininga sentido norte). Para o ano de 2009 o VDMA é igual a , e para os outros anos de projeto (2009 a 2028) o VDMA será determinado considerando uma taxa de crescimento de tráfego de 4% ao ano Determinação dos fatores de dano ao pavimento Os fatores de dano ao pavimento serão obtidos por meio do cálculo das respostas estruturais. As respostas estruturais a serem consideradas na análise são ( t,1 ), responsável pelas trincas por fadiga, e ( v,3 ), responsável pelos afundamentos nas trilhas de rodas devido ao subleito, causando uma deformação suave e de difícil remediação, devido ao seu alto custo. Estas respostas serão determinadas pelo programa de análises elástico-lineares ELSYM5, devido sua simplicidade e compatibilidade com as análises de tensões executada no método da AASHTO A pressão de enchimento dos pneus a ser considerada na análise será de 827 kpa (120 psi), 2

4 sendo esta a pressão de enchimento média utilizada no Brasil (Fernandes Júnior et al., 2007). A partir das respostas estruturais serão calculados os Fatores de Equivalência de Carga (FEC) empírico-mecanísticos, por meio da Equação 1. Onde: i= Resposta estrutural correspondente à solicitação em análise; = Resposta estrutural referente ao eixo padrão; = Expoente associado à forma de deterioração, à resposta estrutural considerada, ao tipo de ensaio e à estrutura analisada. Serão determinados o FEC trincas e o FEC afundamento considerando, respectivamente, a maior deformação de tração na fibra inferior do revestimento, com o expoente 3,291, e a deformação vertical de compressão no topo do subleito, com o expoente igual a 4. Estes expoentes são os mesmos utilizados por Fontenele (2011) e estão relacionados ao tipo de estrutura analisada, à resposta estrutural e com a forma de deterioração Cálculo da vida útil A vida útil do pavimento será averiguada pelo cálculo do número equivalente de solicitações (N) empírico-mecanístico. Para o cálculo da vida útil será considerado o ano de 2009 como referência para o início da operação da via a ser dimensionada, e o período de projeto estimado será de 20 anos Análise de Sensibilidade A estrutura do pavimento a ser utilizada foi pré-dimensionada empiricamente, a mesma utilizada por Fontenele (2011). Na análise de sensibilidade serão utilizados os valores médios adotados no dimensionamento dos pavimentos brasileiros tanto para de espessura quanto para os módulos de elasticidade das camadas. Na Tabela 1 é apresentada a estrutura de referência bem como as variações dos valores adotados que serão utilizadas neste estudo. Camadas Referência Tabela 1: Características do pavimento a ser analisado Espessura (cm) Módulo de Elasticidade (MPa) Para análise de sensibilidade Referência Para análise de sensibilidade Coef. Poisson 1 12,50 7,5 a Constante 0, ,00 15 a 22, a 483 0, ,00 20 a 27, a 217 0,40 Subleito a 79 0,45 Para que se possa analisar a influência da variação dos parâmetros de projeto serão plotados gráficos destes versus as respostas estruturais calculadas pelo ELSYM5 e os FEC empíricos mecanísticos. (1) 3

5 A partir do programa empírico mecanístico da AASHTO também será avaliado o desempenho do pavimento com relação às variações dos parâmetros de projeto. Em seguida os resultados serão comparados com os obtidos com o ELSYM5, calculados a partir de um modelo de previsão de desempenho, a ser determinado, compatível com a análise do programa. Os critérios de desempenho adotados no método da AASHTO serão os seguintes: Irregularidade longitudinal inicial (IRI inicial ) aproximadamente igual a 1,0 m/km, uma vez que o valor ideal para pavimentos novos geralmente é de 0,79 a 1,18 m/km; Irregularidade longitudinal final (IRI final ) de 4 m/km; Trincas longitudinais up-down igual a 189 m/km; Trincas por fadiga classe 3 bottom-up igual a 25%; trincas transversais térmicas igual a 189 m/km; Afundamento nas trilhas de rodas no CBUQ de 6,35 mm; Afundamento nas trilhas de rodas no pavimento todo igual a 19,5 mm. Para a análise dos critérios de desempenho será utilizado um nível de confiança de 90%, dentro dos intervalos propostos no NCHRP (2004). 4. RESULTADOS ESPERADOS O método empírico-mecanístico de dimensionamento de pavimentos tem se tornado muito promissor nas últimas décadas por possibilitar a aproximação da situação de campo à de projeto. Desta forma esta pesquisa avaliará os parâmetros que apresentam maior (ou menor) sensibilidade no desempenho estrutural do pavimeno, podendo contribuir para o melhor dimensionamento das vias da região, evitando seu subdimenisonamento e o fim precoce de sua vida útil. Será possível avaliar a sensibilidade do método proposto pelo guia de projetos da AASHTO, além da avaliação do impacto de problemas, por exemplo, o subleito fraco, no surgimento de patologias, fornecendo informações auxiliares a projetistas que buscam alternativas de dimensionamento. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FERNANDES JUNIOR, J. L.; PAES, J. C.; PEREIRA, P. A. A. Avaliação dos efeitos das solicitações do tráfego sobre o desempenho de pavimentos flexíveis portugueses e brasileiros. Revista Pavimentação, Ano II, n. 5, pp Associação Brasileira de Pavimentação ABPv, Rio de Janeiro, FONTENELE, H. B. Representação do tráfego de veículos rodoviários de carga através de espectros de carga por eixo e seu efeito no desempenho dos pavimentos p. Tese (Doutorado). Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, MASAD, S. Sensitivity analysis of flexible pavement response and AASHTO 2002 design guide for properties of unbound layers Thesis (Master of Science). Texas A&M University, SCHWARTZ, W. C.; LI, R.; CEYLAN, H.; KIM, S.; GOPALAKRISHNAN, K. Global Sensitivity Analysis of Mechanistic-Empirical Performance Predictions for Flexible Pavements. Transportation Research Board. TRB 2013 Annual Meeting CD-ROM. Washington, D. C SHAHJI, S. Sensitivity analysis of AASHTO s 2002 flexible and rigid pavement design methods Thesis (Master of Science). Universityof Central Florida, Heliana Barbosa Fontenele (heliana@uel.br) Thaís Ferrari Reús (thaisferrarireus@gmail.com) Departamento de Construção Civil, Universidade Estadual de Londrina Rodovia Celso Garcia Cid PR 445-Km 380 Londrina, Paraná 4