Estudo sobre a Deformabilidade da Camada de Base da nova Pista de Pouso e Decolagem do Aeroporto de Guarulhos/SP Ana Carolina da Cruz Reis Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, Brasil, anakkrol@gmail.com Antônio Carlos Rodrigues Guimarães Instituto Militar de Engenharia - IME, Rio de Janeiro, Brasil, guimaraes@ime.eb.br RESUMO: O presente estudo tem por objetivo apresentar o significativo avanço tecnológico para controle da qualidade das obras de pavimentação, destacando-se o desenvolvimento e a implementação de equipamentos e métodos que permitem a avaliação in situ das características de resistência e de deformabilidade das camadas dos pavimentos, onde neste trabalho se aborda o Light Weight Deflectometer (LWD). A metodologia constituiu basicamente na utilização do LWD para avaliação da deformabilidade em termos de comportamento mecânico da camada de base da nova pista de pouso/decolagem do aeroporto de Guarulhos/SP, onde foram ensaiados 31 pontos, obtendo os respectivos valores de módulo resiliente para cada ponto. Os resultados obtidos avaliam a utilização do equipamento para ensaios não destrutivos in situ, obtendo valores de módulo resiliente satisfatórios conforme os encontrados em literatura. Apresentaram-se ainda, um conjunto de orientações metodológicas para utilização do LWD, na avaliação e diagnóstico das propriedades mecânicas de sistemas de camadas de pavimento. PALAVRAS-CHAVE: Pavimento, Deformabilidade, Light Weight Deflectometer. 1 INTRODUÇÃO A avaliação estrutural de pavimentos rodoviários tem evoluído com o intuito de reproduzir, o mais próximo possível, a realidade das tensões e deformações ocasionadas pelo tráfego, através das rodas com a passagem dos veículos, permitindo conhecer o comportamento das camadas. Assim sendo, o controle das obras de pavimentação de forma tecnológica têm uma influência relevante na execução do projeto. Têm-se observado com frequência muitos casos de obras de pavimentação com problemas prematuros em relação às expectativas de projeto, os quais vêm estimulando a realização de estudos especiais com vistas à análise das possíveis causas que estariam concorrendo para o aparecimento precoce das mesmas, em especial quando se trata de pavimentos com elevados volumes de tráfego ou expostos sob condições climáticas adversas (Preussler, 2007). Os processos adotados no controle tecnológico das obras de pavimentação mantêm procedimentos e metodologias convencionais que não fornecem suficientes subsídios técnicos para uma avaliação indireta das propriedades mecânicas das camadas do pavimento e da estrutura como um todo. Muitas vezes os dados extraídos do controle de campo são insuficientes para a interpretação das condições de deformabilidade in situ dos pavimentos. Os métodos de controle convencionais vêm se tornando ineficazes à elevada produtividade dos novos métodos e equipamentos de obras de pavimentação. O significativo avanço tecnológico para controle da qualidade das obras de pavimentação, destacam-se o desenvolvimento e a implementação de equipamentos e métodos que permitem a avaliação in situ das características de resistência e de deformabilidade das camadas dos pavimentos. Os equipamentos e as metodologias de análise, quando aplicados no controle da qualidade das obras de pavimentação, se destacam por apresentarem vantagens relevantes comparados aos métodos convencionais, devido à realização dos testes com cargas dinâmicas, como formas
de aproximar as condições reais do tráfego. O estudo constitui uma contribuição para o aperfeiçoamento das técnicas de controle tecnológico de obras de pavimentação com determinação das propriedades mecânicas e de deformabilidade da base da nova pista de pouso/decolagem do aeroporto de Guarulhos/SP. Especificando os módulos resilientes por retroanálise, a partir do ensaio dinâmico in situ com o uso do equipamento LWD, segundo as proposições de metodologias para aplicação sistemática do LWD na avaliação e diagnóstico das propriedades mecânicas de sistemas de camadas de pavimento, bem como no controle tecnológico de obras de pavimentação. 2 COMPACTAÇÃO DE CAMPO Os equipamentos de compactação de campo para solos estão baseados em três principais tipos de carga: estática, vibração e impacto (Figuras 1). A seleção do processo de compactação mais adequado depende do tipo de solo, teor de umidade, bem como da rigidez da camada subjacente e do tempo para a realização da compactação. Figura 1 Compactação Carga Estática, Carga Vibratória e Carga Impacto Respectivamente (Svedala Dynapac, 2000) 3 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS Além dos procedimentos e métodos citados no item 2, vem constituindo prática corrente o emprego de técnicas que permitam a determinação da resistência e do comportamento resiliente dos solos e camadas do pavimento face à aplicação de cargas. No caso da resiliencia, pode-se determiná-la em ensaios laboratoriais ou em ensaios não destrutivos de campo e aplicação de técnicas de retroanálise para determinação do Módulo Resiliente. 3.1. California Bearing Ratio - CBR O ensaio California Bearing Ratio (CBR) ou Índice de Suporte California (ISC) é um ensaio relativamente simples e aplicado como indicador da resistência e materiais granulares ou de solos para subleito, sub-base e base na pavimentação, tendo sido desenvovido pela Divisão de Estradas do Estado da California EUA. O valor do índice do CBR tem aplicação na seleção de materiais para pavimentação, bem como no controle tecnológico de terraplenos ou subleito. Pode ser realizado em todos os tipos de solos e baseia-se no conceito da relação entre valor da resistência à penetração no solo a ser ensaiado, em compactação com a medida de referência obtida para um material pétreo, classificado para emprego em camadas de base. 3.2. Módulo Resiliente dos Solos Convencionou-se a chamar na Mecânica dos Pavimentos, de deformação resiliente, a deformação elástica ou recuperável de solos e de estruturas de pavimentos sob a ação de cargas trasientes. Foi Francis Hveem (1955), que adotou o termo resiliência, para que se entendesse que os deslocamentos nos pavimentos sob a ação de cargas móveis, são muito maiores do que os que ocorrem em sólidos elásticos como o vidro, o aço, etc. Resiliência é definida como a propriedade pela qual a energia armazena em um corpo deformado é devolvida quando cessa a tensão causadora de deformação elástica (Pinto e Preussler, 2002). A determinação do módulo de resiliência de solos é feita em laboratório, através do ensaio triaxial de carga repetida de curta duração. Conceitualmente, não existem solos resilientes e solos não resilientes, um vez que todos eles apresentam deformação resiliente quando solitados por um carregamento, mas sim solos com maior ou menor grau de resiliência.
4 DEFLECTOMETRIA Processos alternativos para o controle tecnológico introduzindo ensaios que possibilitem a determinação de módulo de resiliência vêm se justificando pelo fato dos projetos de estruturas de pavimento incorporar, nesses últimos anos, análises mecanísticas para o cálculo de tensões e deformações, como aperfeiçoamento das tradicionais metodologias e procedimentos de natureza empírica (Preussler, 2007). A partir dessas análises, definem-se valores admissíveis de deslocamentos recuperáveis ou deflexões para as distintas camadas do pavimento projetado, constituindo-se referências para o controle tecnológico das características de resiliência ou de deformabilidade elástica dos solos e materiais de pavimentação durante o processo executivo. Emprega-se usualmente a Viga Benkelman e o FWD (Falling Weight Deflectometer) para a verificação in situ do atendimento às premissas dos dimensionamentos dos pavimentos, com relação às características resilientes das camadas constituintes. Embora o equipamento FWD seja uma evolução tecnológica significativa com relação à pioneira Viga Benkelman na avaliação da deformabilidade de estruturas de pavimento, a sua utilização no controle tecnológico de obras apresenta limitações em face do elevado custo de aquisição desses equipamentos e da sua manutenção em serviçoes dessa natureza. Além disso, tais equipamentos também se mostram em algumas situações de difícil operação nas obras devido às dimensões dos mesmos. Face ao exposto, vem sendo promissora a utilização da inovação tecnológica denominada LWD (Light Weight Deflectometer), para o controle tecnológico das camadas das características elásticas de camadas de pavimento, principalmente de solos e materiais granulares, incorporando a evolução tecnológica do FWD com a praticidade de utilização e custo menos elevado. constitui um sistema de ensaio dinâmico em placa de carga empregado para medir a deformabilidade das camadas do subleito e da infra-estrutura do pavimento. O equipamento não necessita de nenhuma medida de referência e fornece alternativa simples em comparação com os demais testes até então utilizados, em especial o FWD (Nazaal, 2003). Fleming (2000) realizou avaliações laboratoriais e de campo com diversos equipamentos, dentre eles o LWD, destacando a qualidade do mesmo pela presença de célula de carga para medir a força do impacto, coletando as informações através de software específico. O LWD possui ainda geofones adicionais, características estas não existente em nenhum outro equipamento (Seyman, 2003). O LWD é utilizado especificamente para controle de qualidade das camadas doo pavimento (subleito, sub-base e base), em pavimentos novos ou em obras já existentes. O equipamento é composto por uma célula de carga de alta precisão que mede o valor máximo da força de impacto da queda de um peso de 10 kg acoplado a uma placa de cargacom diâmetro de 300 mm conforme a Figura 2 a 4. O valor máximo da força de impacto é baseado em medidas da célula de carga e os deslocamentos (deflexões) são medidos em até 3 sensores, que ficam posicionados a diferentes distâncias em relação ao centro da placa. Figura 2 Ensaio com LWD na Pista de Pouso/Decolagem do Aeroporto de Guarulhos 4.1. Light Weight Deflectometer - LWD O equipamento Light Weight Deflectometer (LWD) foi desenvolvido na Alemanha e
Figura 3 Ensaio com LWD na Pista de Pouso/Decolagem do Aeroporto de Guarulhos O procedimento de teste consiste em posicionar o equipamento no ponto de ensaio e aplicar uma carga dinâmica de aproximadamente um tonelada sobre a superfície do pavimento em um período de tempo de 30 µseg e, no mesmo instante, efetuar leituras dos deslocamentos na superfície das camadas e obter o módulo de elasticidade correspondendte por correlações (Preussler, 2007). Em qualquer configuração do teste, a deflexão no centro da placa de carga (Df) é obtida para calcular o módulo de elasticidade/resiliência (ELWD) da camada de estudo. A expressão utilizada para o cálculo do módulo de elasticidade (ELWD) da camada é aquela desenvolvida por Boussinesq com base na Teoria da Elasticidade (Steinert, 2006), conforme mostrado na equação 1. A seguir, são apresentadas as partes constituintes do equipamento e as especificações particulares (Figura 4) (Dynatest, 2006): Célula de carga que mede o valor máximo da força de impacto da queda de um peso com 10, 15 ou 20 kg, incorporada em uma placa de carga com diâmetro de 100, 200 (opcional) ou 300 mm. O valor máximo da força de impacto é baseado em medidas reais da célula de carga; Os deslocamentos (deflexões) são medidos pelos sensores em tempo real e apresentados graficamente na Palm Top conectado ou transmitido por onda tipo Bluetooth; O módulo de elasticidade E é calculado e visualizado em tempo real; O software de coleta de dados exibe na tela da Palm Top o Módulo de elasticidade da superfície e um gráfico de histórico em tempo real. (ELWD) = F (1 ν²) σ x R (1) Df Onde: F = Fator que depende da distribuição das tenções, onde F=2 para distribuição uniforme, F=π/2 para placa rígida, distribuição parabólica (solo granular) F=8/3 e distribuição parabólica (solo coesivo) F=4/3; ν = Coeficiente de Poisson; σ = Tensão aplicada (kpa); R = Raio do prato de carga (mm); Df = Deflexão (µm); E = Módulo de Elasticidade (MPa). Os demais geofones permitem avaliar as condições das camadas nas proximidades do ponto de ensaio, grau de homogeneidade em vários sentidos ou direções, bem como fornecer uma bacia de deflexões simplificada. Figura 4 Visão geral do Equipamento O processo de montagem do equipamento é rápido de executar e padronizado. Com o equipamento devidamente montado e conectado ao software a realização do ensaio decorre de forma padronizada, independentemente da superfície a ensaiar conforme mostrado na Figura 5.
6 RESULTADOS Figura 5: Aspecto geral de Ensaio com o LWD 5 METODOLOGIA A metodologia adotada neste trabalho se consiste na utilização do LWD para a avaliação da deformabilidade, em termos de comportamento mecânico, das camadas compactadas do pavimento. Objetivou-se ainda o aprofundamento do conhecimento sobre a utilização deste equipamento correlacionando o módulo de resiliente obtido em laboratório com o obtido in situ, além das características do equipamento e operação. Foram ensaiados 31 pontos da camada de base da nova pista de pouso/decolagem do Aeroporto de Guarulhos/SP, conforme mostrado na Figura 6. Cada ponto foi ensaiado três vezes, sendo o valor de módulo resiliente de cada ponto, a média dos três ensaios (no mesmo ponto). Os pontos ensaiados foram registrados pelo GPS do equipamento, gerando a coordenada geográfica dos respectivos. A análise e interpretação dos resultados teve por base os valores dos ensaios obtidos in situ efetuados com o LWD. Sabe-se a princípio que valores muito dispersos, podem ser provenientes de erros de medição ou de execução do equipamento, afetando as análises. Na Tabela 2 são apresentados os valores de Módulo Resiliente (MR) obtidos in situ na avaliação da camada de base da nova pista de pouso/decolagem do aeroporto de Guarulhos/SP. Sabendo-se que não existem princípios sobre os critérios de seleção dos pontos a excluir da análise, sendo assim nenhum ponto ensaiado foi eliminado do conjunto de resultados obtidos. Tabela 2 - Valores de Módulo Resiliente da Nova Pista de Pouso/Decolagem do Aeroporto de Guarulhos/SP Figura 6: Nova Pista de Pouso/Decolagem do Aeroporto de Guarulhos/SP A Tabela 2, pode ser melhor explicada com o gráfico da Figura 7, onde é possível observar que os valores obtidos de MR variaram entre 24,7 e 85,9 MPa, podendo ser considerados valores relativamente satisfatórios para medições com o LWD. A avaliação da
deformabilidade da camada de base da nova pista de pouso/decolagem do aeroporto de Guarulhos/SP possui valores de módulo resiliente compatíveis com os encontrados em literatura para medições com o LWD. Figura 7 Gráfico dos valores de Módulo Resiliente para cada Coordenada Geográfica Ensaiada 7 CONCLUSÃO Foi apresentado no presente trabalho um estudo sobre a deformabilidade da camada de base da nova pista de pouso/decolagem do aeroporto de Guarulhos/SP. O controle de compactação por avaliação de deformabilidade foi realizado com o auxilio do equipamento LWD (Light Weight Deflectometer). O estudo desenvolvido possibilitou a aplicação do LWD no controle tecnológico das camadas de infra-estrutura do pavimento da nova pista do aeroporto de Guarulhos. Os resultados obtidos avaliam a utilização do equipamento para ensaios não destrutivos in situ. Os valores de módulo resiliente obtidos variaram entre 24,7 e 85,9 MPa, valores considerados satisfatórios conforme os encontrados em literatura. A correlação dos valores de MR in situ e com os valores de laboratório possibilitam uma complementação de informações in situ que associam características de deformabilidade elástica com resistência mecânica. Com base neste estudo, será proposto um conjunto de orientações metodológicas para a utilização do LWD, na avaliação e diagnóstico das propriedades mecânicas de sistemas de camadas de pavimento, bem como no controle tecnológico de obras de pavimentação. REFERÊNCIAS Departamento Nacional de Infraestruturas de Transportes. (2006). Manual de Pavimentação, DNIT IPR 179, Rio de Janeiro. Dynatest Inc. (2006). Dynatest 3031 LWD test system owner s manual technical description. Lamb, T. W. e Whitman, R. V. (1970). Soil Mechanics, New York, USA. Nazaal, M. D. (2003). Field Evaluation of in situ Test technology for Qc/Qa During Constroction od Pavement Layers and Embankments, USA, Louisiana State University, USA. Pinto & Preussler. (2002). Pavimentação Rodoviária Conceitos fundamentais sobre pavimentos flexíveis, Rio de Janeiro. Pinto, C. S. (2000) Curso Básico de Mecânica dos Solos, São Paulo. Porter, O. J. (1938). The Preparation of Subgrades, USA. Preussler, L. A. (2007). Contribuição ao Estudo da Deformabilidade de Camadas do Pavimento, Dissertação (Mestrado), Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo/SP. Seyman, E. (2003). Laboratory Evaluation of in situ Tests as Potential Quality Control/Quality Assurance Tools, Louisiana State University, USA. Svedala Dynapac. (2000). Compaction and Paving Theory and Practice, Nº IHCCCAPEN1, Sweden.