44ª RAPv – REUNIÃO ANUAL DE PAVIMENTAÇÃO E

18º ENACOR – ENCONTRO NACIONAL DE CONSERVAÇÃO RODOVIÁRIA

ISSN 1807-5568 RAPv

Foz do Iguaçu, PR – de 18 a 21 de Agosto de 2015

COMPARAÇÕES ENTRE ALGUNS MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS ADOTADOS POR ÓRGÃOS

RODOVIÁRIOS

Gustavo Henrique Nogueira1; Sérgio Bruno Vilela Nunes

1 & Jisela Aparecida Santanna-Greco

1

RESUMO O presente trabalho tem por objetivo comparar métodos de dimensionamento de pavimentos flexíveis buscando selecionar aspectos mais adequados ao dimensionamento de pavimentos flexíveis de vias urbanas. Os métodos tradicionais são voltados ao dimensionamento de vias de tráfego pesado, gerando dessa forma estruturas mais robustas de pavimentos e portanto mais dispendiosas. Com a elaboração de um método de dimensionamento direcionado ao projeto de pavimentos de vias de tráfego leve, será possível a concepção de estruturas mais esbeltas e portanto de menor custo, sem entretanto deixarem de cumprir a sua função de proporcionar condições seguras e confortáveis para o tráfego de veículos, em qualquer época do ano, inclusive em épocas de chuva, sendo ao mesmo tempo duráveis. Para atingir tal objetivo foram comparados o método do DNER, o método MT-01.15 do DER-MG, o método da Prefeitura Municipal de São Paulo e o método da SUDECAP da Prefeitura Municipal de Belo Horizonte, selecionando-se os aspectos mais adequados de cada método ao propósito de dimensionamento de pavimentos de vias urbanas. Os métodos de dimensionamento citados foram aplicados a um trecho de travessia urbana, situado na cidade de Pindaíbas, interior do estado de Minas Gerais. PALAVRAS-CHAVE: pavimentos flexíveis; métodos de dimensionamento de pavimentos flexíveis; vias urbanas.

___________________________________ 1 Av. Antonio Carlos, 6627, Bloco 01, sala 3612 - 31270901 – Belo Horizonte – MG, Belo Horizonte, MG, Brasil. E-mail:

ghnogueira89@gmail.com ; sergiobrunov@yahoo.com.br e jisela@etg.ufmg.br .

ABSTRACT

This study aims to compare design methods of flexible pavements trying to select the most appropriate aspects related to the design of urban roads. Traditional methods are appropriate to the design of heavy traffic routes. Thus, the obtained pavements are more rigid and, consequently, lead to more expensive structures. With the development of a design method suitable to the light traffic routes, the design of more slender structures and, consequently, more economical will be possible. Nonetheless, this new method cannot fail to fulfill its function of providing safe and comfortable conditions for the traffic vehicles at any time of year, even for the rainy season, and at the same time supplying durable structures. To achieve this objective, the method of DNER, the MT-1:15 method of DER-MG, the method of the São Paulo City and the SUDECAP municipal method of Belo Horizonte were compared, selecting the most appropriate aspects of each method for the purpose of design of urban roads pavements. These design methods were applied to a strip of urban crossing, located at the city of Pindaíbas in the state of Minas Gerais. KEY WORDS: flexible pavements, design methods for flexible pavements, urban roads. INTRODUÇÃO A obra rodoviária é o tipo de empreendimento mais oneroso das obras de engenharia, e assim, o controle rigoroso de uma implantação viária deve se iniciar na fase de projetos. A importância da mobilidade para uma sociedade vai muito além da satisfação da população, tem impacto direto na economia da região. Assim, é necessário que as políticas públicas entendam a seriedade da implantação de uma via, bem como a contratação dos serviços e avaliação dos projetos desenvolvidos. Assim, o trabalho aborda e compara quatro diferentes métodos de dimensionamento de pavimento, o método de dimensionamento contido no Manual de Pavimentação do DNIT, de 2006, o “Método de Dimensionamento MT-01.15”, do DER-MG, o “Método de Dimensionamento da Prefeitura Municipal de São Paulo” e o método de dimensionamento da SUDECAP, Superintendência de Desenvolvimento da Capital, da Prefeitura Municipal de Belo Horizonte. Não serão considerados métodos mecanísticos de dimensionamento em virtude de dificuldades para a caracterização dos materiais através de ensaios de módulo de resiliência. REVISÃO DA LITERATURA

Generalidade sobre os tipos de pavimentos Pavimentos são as estruturas apoiadas sobre a camada final de terraplenagem, cuja função é o recebimento do tráfego de veículos de forma a repassar os esforços ao subleito. Os pavimentos flexíveis representam a grande maioria nas rodovias brasileiras, quando comparados aos pavimentos

rígidos. Senço (2001) define pavimentos flexíveis como aqueles que podem sofrer deformações até certo limite, sem se romperem. Esse tipo de pavimento, diferentemente dos pavimentos rígidos, apresenta deformações pontuais, ou seja, quando o carregamento é aplicado, o pavimento deforma apenas no local. Método de dimensionamento contido no Manual de Pavimentação do DNIT de 2006

Os principais estudos para o desenvolvimento de qualquer dimensionamento são os estudos geotécnicos e os estudos de tráfego. Estudos Geotécnicos Os estudos geotécnicos contemplam o estudo das seguintes áreas: subleito, empréstimos concentrados, areais, pedreiras e jazidas. Assim, para os materiais estarem aptos a serem utilizados no pavimento a ser dimensionado, devem estar de acordo com os seguintes resultados apresentados na Tabela 1.

Tabela 1. Especificações técnicas do DNIT (Fonte: Normas técnicas do DNIT) Camada Ocorrência

relacionada

ISC Expansão IG LL IP Faixa Gran.

Base Jazida (cascalheira)

> 60 % (1) > 80 % (2)

< 0,5 % 0 < 25,0 % ou EA > 30,0%

< 6,0% ou EA > 30,0%

E ou F (1) A, B, C ou D (2)

Sub-base Jazida (cascalheira)

> 20 % > 30 %

< 1,0 % 0 - - -

Reforço Empréstimo Concentrado

ou Jazida (cascalheira)

> ISCprojeto < 1,0 % - - - -

Subleito >ISCprojeto < 2,0 % - - - - Observações

(1) Para N ≤ 5 × 106

(2) Para N > 5 × 106

Estudo de Tráfego

Os estudos de tráfego são estudos feitos em campo para obtenção do número “N”. Esse número N significa o número de repetições do eixo padrão (8,2 t) que passarão pela rodovia em um horizonte de 10 anos. De acordo com o DNIT, N = Vt x FV, onde FV implica em fatores (FC e FE) que transformam os veículos em eixos padrão e Vt é o valor total de veículos que passa na via no período de projeto.

+××=

−1

0

1001365

p

tVVt (1)

Sendo P o período de projeto, em anos; t a taxa de crescimento anual e V0, o volume médio diário inicial de tráfego, num sentido. Dimensionamento do Pavimento Com os parâmetros acima citados, é possível iniciar o dimensionamento do pavimento. O primeiro item a ser definido é qual o revestimento e sua espessura. A obtenção desse dado é realizada pela Tabela 2.

Tabela 2. Determinação das características do revestimento

Fonte: Manual de Pavimentação do DNIT

De acordo com o número N obtido no estudo de tráfego, é determinado qual revestimento será utilizado, bem como a sua espessura. Na Figura 1 encontra-se representado um esquema da estrutura de um pavimento flexível. Os parâmetros H20, HN, HM são obtidos com a Equação 2.

H = 77,67 x N 0,0482 x ISC -0,598 (2)

Figura 1. Esquema do pavimento a ser dimensionado

1. Espessura do Revestimento (R): tabelada em função do Número “N” 2. Espessura da Base (B): R x KR + B x KB ≥ H20 3. Espessura da Sub-base (SB): R x KR + B x KB + SB x KSB ≥ HN 4. Espessura do Reforço (REF): R x KR + B x KB + SB x KSB + REF x KREF ≥ HM

Número N Espessura Mínima de Revestimento Betuminoso

5 x 106 < N ≤ 107 Concreto betuminoso com 7,5 cm de espessura

107 < N ≤ 5 x 107 Concreto betuminoso com 10,0 cm de espessura

N > 5 x 107 Concreto betuminoso com 12,5 cm de espessura

As constantes “K” referidas nas inequações são obtidas através da Tabela 3.

Tabela 3. Valor dos coeficientes de equivalência estrutural

Camada do Pavimento Coeficiente K

Camadas granulares 1,0

Bases ou Revestimentos Betuminosos

2,0

Fonte: Manual de Pavimentação do DNIT

Método de Dimensionamento de acordo com a norma MT-01.15 do DER/MG

A norma técnica MT-01.15, desenvolvida no DER-MG no ano de 1985, é uma norma técnica que se assemelha ao padrão do DNIT, apresentado anteriormente.

Estudos Geotécnicos

Para o material aplicado no pavimento, alguns parâmetros são avaliados, de forma a fornecer com segurança, suporte ao pavimento.

De acordo com a própria norma, a Tabela 4 mostra os fatores avaliados, com seus respectivos parâmetros.

Tabela 4. Parâmetros da norma MT-01.15.

ISC Expansão LL IP IG

Base ISC ≥ 40(1), 50(2), 60(3) ≤ 0,5% ≤ 30 IP ≤ 9 ou E.A. ≥ 30 0

Sub-base(4) ISC ≥ 20% ≤ 1% ≤ 35 IP ≤ 15

Reforço do subleito

ISC ≥ ISCprojeto ≤ 2% - -

Subleito ISC ≥ ISCprojeto ≤ 2% - -

Estudo de Tráfego

O Estudo de Tráfego deste método é semelhante ao do DNIT, apresentado anteriormente. A única alteração é o cálculo de Vt, realizado de acordo com a Equação 3.

×+×××= 2/100

23650

tPVPV

t (3)

Dimensionamento

Primeiramente, é determinada a espessura do revestimento, de acordo com o número do tráfego, como mostra a Tabela 5.

Tabela 5. Determinação das características do revestimento de acordo com a norma MT-01.15

Fonte: Norma MT-01.15

Desta forma, são utilizadas as mesmas inequações do método anterior, apresentado, de forma genérica, pela Equação 4.

( )∑ +≥×

1NNNHEK (4)

As espessuras são obtidas utilizando-se o ábaco da Figura 2.

Figura 2. Ábaco utilizado no dimensionamento para o método do MT-01-15.

N Revestimento Betuminoso N ≤ 5×106 2,5 cm (Tratamento Superficial)

5×106 ≤ N ≤ 5×107 5,0 cm (Concreto Betuminoso) N ≥ 5 × 107 7,5 cm (Concreto Betuminoso)

Para os materiais utilizados em projeto, os coeficientes de equivalência estrutural são os mesmos.

Método de Dimensionamento de acordo com a Prefeitura Municipal de São Paulo (PMSP).

O método da PMMS, apresentado por Senço (2001), é um método destinado, principalmente, para pavimentos urbanos, diferentemente dos métodos citados anteriormente.

Estudos Geotécnicos

Para o desenvolvimento dos estudos geotécnicos, o método PMMS exige somente que o ISC do subleito seja superior a 2% e sua expansão menor que 2%.

Estudo de Tráfego

Como foi mencionado anteriormente, para o dimensionamento do pavimento desse método, é levado em consideração, em sua maioria, o tráfego na região da obra. Há que ser classificado entre Tráfego Muito Leve, Leve, Médio, Pesado e Muito Pesado.

Dimensionamento

No dimensionamento do pavimento de acordo com essa metodologia, são considerados os dois parâmetros obtidos: classificação do tráfego e ISC do subleito. Partindo do ábaco da Figura 3, é obtida a espessura do pavimento.

Figura 3. Ábaco utilizado no dimensionamento para o método da PMMS.

A partir da obtenção da espessura, é fornecida uma série de Projetos-Tipo aplicados a cada tipo de tráfego: TML: projetos E, TL: projetos A, TM: projetos B, TP: projetos C e TMP: projetos D (Figura 4).

Figura 4. Projetos Tipo utilizado no dimensionamento para o método da PMMS.

No entanto, na Figura 4 há duas espessuras consideradas: Eq e Er.

Para o cálculo de sub-base, deve-se considerar que: Eq = Krev x erev + K B1 x eB1 + K B2 x eB2. E assim sucessivamente para quantas camadas existirem. Os valores dos coeficientes de equivalência estrutural para esse método encontram-se apresentados na Tabela 6.

A diferença de altura obtida no gráfico, Eb, e a altura do projeto tipo considerando os coeficientes de equivalência estrutural, Eq, fornece o valor chamado pelo método de espessura de sub-base.

Tabela 6. Coeficientes de equivalência estrutural do método da PMMS

A diferença de altura obtida no gráfico, Eb, e a altura do projeto tipo considerando os coeficientes de equivalência estrutural, Eq, fornece o valor chamado pelo método de espessura de sub-base.

Método de Dimensionamento de acordo com a SUDECAP.

Estudo Geotécnico

Sobre os estudos geotécnicos, a metodologia da SUDECAP exige apenas que apresentem expansão menor que 2% e ISC maior que 4%.

Estudo de Tráfego

O Estudo de Tráfego se baseia na classificação das vias de acordo com o número de veículos que transitam por ela e assim, é fornecido um número N característico, conforme Tabela 7.

Tabela 7. Classificação do tráfego de acordo com o método da SUDECAP.

Dimensionamento

O dimensionamento das vias de acordo com a metodologia da SUDECAP segue o mesmo sistema de inequações do DNIT.

ESTUDO DE CASO

ABORDAGEM DOS MÉTODOS EM ANÁLISE

O caso em estudo refere-se ao dimensionamento de um pavimento de uma travessia urbana, situada na cidade de Pindaíbas, interior do estado de Minas Gerais, como mostra a Figura 5.

Figura 5. Foto de satélite do local a ser dimensionado. Fonte: Google Earth.

O trecho apresenta uma extensão de 916 metros, e foi escolhido para ser estudado por apresentar o local ideal para a utilização dos quatro métodos em análise: via urbana e rodovia. Ao longo do trecho, foram realizados quatro furos de sondagem, mostrados na Figura 5, e foi feita uma contagem classificatória volumétrica de veículos. Foram obtidos 2230 veículos/dia na faixa mais solicitada, com a distribuição percentual por número de eixos por veículo conforme Tabela 8.

Tabela 8. Percentual de veículos por eixo.

Eixos Percentual

2 62% 3 29% 4 9%

Dimensionamento do Pavimento em Estudo

A partir dos resultados dos Estudos de Tráfego e Estudos Geotécnicos, o pavimento foi dimensionado de acordo com os quatro métodos apresentados.

De acordo com o Método do DNIT

Estudo de Tráfego

Conforme apresentado na revisão da literatura, N = Vt x FE x FC.

N = 511.888,78 x 2,47 x 3,99 = 5,04 x 106 operações equivalentes do eixo padrão de 8,2 toneladas.

Estudo Geotécnico

Foi assumido que ISCPROJ será 15 % para a região.

Dimensionamento

Considerando o sistema de inequações apresentado anteriormente, com espessura mínima de 15,0 cm por camada granular, o pavimento dimensionado foi:

• Revestimento: 7,5 cm de CBUQ. • Base: 15,0 cm de camada granular. • Sub-base: 15,0 cm de camada granular.

De acordo com o Método do DER-MG (Norma MT-01-15)

Estudo de Tráfego

Conforme apresentado na revisão da literatura, N = Vt x FE x FC.

O valor de Vt, primeiro fator da equação do número N, foi obtido da seguinte forma:

Vt = 365xPxV0x[(2 + P x t/100)/2] = 365 x 10 x 2230 x [(2+10x5/100)/2] = 10.174.375 veículos.

Considerando os mesmos fatores FC e FE calculados para o método do DNIT (2,47 e 3,99, respectivamente), foi encontrado o número “N”.

N = 10.174.375,00 x 2,47 x 3,99 = 1,00 x 108 operações equivalentes do eixo padrão.

Estudo Geotécnico

Os requisitos do subleito para o método da norma MT-01.15 do DER-MG são os mesmos do método do DNIT, apresentado anteriormente. Dessa forma, o valor de ISCPROJ = 15 %.

Dimensionamento

Com o mesmo equacionamento do método foi realizado o dimensionamento do pavimento pelo método do DER-MG, lembrando que a espessura mínima adotada para esse método é de 10,0 cm. O resultado obtido foi:

• Revestimento: 7,5 cm de CBUQ; • Base: 10,0 cm de camada granular; • Sub-base: 10,0 cm de camada granular.

De acordo com o Método da Prefeitura Municipal de São Paulo (PMSP).

Estudo de Tráfego

No método em questão, o tráfego é classificado de acordo com o número de veículos pesados que passam pela faixa mais solicitada, por dia, através da Equação 5.

Vt = V0 x [1 + (P x t)/100] (5)

Apenas 58% dos veículos que passam pelo trecho a ser dimensionado apresentam relevância no dimensionamento. Dessa forma, considerou-se que 58% dos veículos são caminhões ou ônibus.

Assim, Vt = 0,58 x 2230 x [1+(10 x 5)/100] = 2.843,25 veículos. O tráfego para esse valor de Vt é considerado muito pesado.

Estudo Geotécnico

Para esse método, a única restrição para a geotecnia da região é a presença de material constituinte do subleito com ISC maior que 2% e Expansão menor que 2,0%. Dessa forma, o valor do ISCPROJ é o mesmo que nos outros casos, 15 %.

Dimensionamento

Foi escolhido o Projeto-Tipo D-3, no qual a espessura de sub-base será 68,5 – 45,0 = 23,5 cm.

Assim, a sub-base deve apresentar ISC maior que, aproximadamente, 30%, dado confirmado para o local.

Dessa forma, o pavimento será constituído pelas seguintes camadas:

• Concreto Asfáltico: 5,0 cm de CBUQ; • Base de macadame betuminoso: 10,0 cm; • Base de concreto magro: 7,5 cm; • Base de macadame hidráulico: 10,0 cm; • Sub-base: 23,5 cm de material granular com k=1 e ISC maior que 30,0%.

De acordo com o Método da SUDECAP.

Estudo de Tráfego

Pelo método da SUDECAP a via é tida como V-5, com “N” característico entre 2x107 e 3x107 operações equivalentes do eixo padrão. Considerando 2,5x107, valor intermediário no intervalo, foi obtido o número “N”.

Estudo Geotécnico

Para o Estudo Geotécnico, neste caso, devem ser levadas em consideração as restrições do subleito, conforme discorrido durante a abordagem sobre o método. Para esse método, deve ser considerado ISC maior que 4 % e expansão menor que 2,0%.

Assim, da mesma forma que para os demais métodos, o ISC de projeto foi considerado igual a 15%.

Dimensionamento

Como o método é semelhante aos dois primeiros, considerando espessura mínima de 10,0 cm de camada granular, o pavimento dimensionado por esse método implica nas dimensões a seguir:

• Revestimento: 10,0 cm de CBUQ; • Base: 10,0 cm de camada granular; • Sub-base: 10,0 cm de camada granular.

APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS

Afim de possibilitar a análise dos resultados dos dimensionamentos realizados no trabalho, pode ser observado um resumo no gráfico da Figura 6.

Figura 6. Resumo dos resultados

Assim, pela análise do gráfico acima é possível visualizar que, considerando a espessura projetada, o método da norma MT-01.15 é o mais viável, da mesma forma se for considerada a espessura necessária. Para as duas análises, o método da PMSP se apresentou inviável estruturalmente, visto que apresentou estruturas consideravelmente mais robustas que as demais.

O método do DNIT é utilizado atualmente para rodovias, sendo considerado o mais atual dentre os métodos em análise neste estudo. A metodologia para cálculo do tráfego para esse método é eficaz e, por necessitar uma contagem volumétrica classificatória em campo, de três dias, apresenta o

resultado do tráfego bem próximo à realidade do local. Já as camadas granulares são calculadas de acordo com as inequações apresentadas anteriormente e a equação utilizada para cálculo da espessura total do pavimento (Equação 2).

O método da norma MT-01.15, DER-MG, se apresentou como o método mais eficaz dos quatro métodos analisados. Com o cálculo de tráfego calculado de forma semelhante ao DNIT, o tráfego desse método se apresentou consideravelmente maior, 1,00 x 108 (enquanto o DNIT foi de 5,04x106). Embora o tráfego do método da MT-01.15 tenha sido maior, durante o dimensionamento, vários fatores contribuíram para que a sua estrutura fosse a mais conveniente economicamente. Inicialmente, quanto ao revestimento, embora o tráfego fosse maior, o revestimento adotado foi o mesmo adotado pelo método do DNIT. Quanto à espessura total necessária, o ábaco de cálculo desse método é mais conservador que a equação que rege os métodos do DNIT e da SUDECAP.

No entanto, como para tráfegos acima de 5,0 x 107 a estrutura do pavimento é a mesma (7,5 cm de CBUQ), o método não seria aconselhável para tráfegos pesados.

O método da PMSP apresentou a maior estrutura em material granular padrão. Essa metodologia apresentada se mostrou muito empírica, pois trabalha com valores padrões para cada tipo de situação. Dessa forma há um grande número de coeficientes de segurança embutidos para garantir a funcionalidade do método. Enquanto os outros métodos apresentam sistemas de inequações para obtenção da estrutura, o método da PMSP apresenta padrões a serem assumidos para cada caso e isso faz com que as estruturas sejam consideravelmente mais espessas.

Para o método da SUDECAP, a análise é muito semelhante à realizada pelo método do DNIT.

A Tabela 9 resume, de forma sucinta, a avaliação de cada método, feita anteriormente.

Tabela 9. Vantagens e desvantagens dos métodos analisados.

Vantagens Desvantagens

MT-01.15 DER/MG

×Estrutura de menor custo

×Cálculo de tráfego eficaz

×Não recomendável para tráfegos pesados

×Sem revisões recentes

DNIT

×Revisão recente

×Bem adaptável para tráfegos pesados

×Cálculo de tráfego eficaz

×Estruturas com elevadas margens de segurança

PMSP

×Estrutura muito segura

×Método de fácil cálculo de dimensionamento

×Não recomendável para tráfegos pesados

×Sem revisões recentes

×Cálculos empíricos (tráfego e dimensionamento)

×Método mais inviável financeiramente

SUDECAP

×Revisão recente ×Bem adaptável para tráfegos pesados ×Estrutura de baixo custo

×Cálculo empírico de tráfego

CONCLUSÕES

A avaliação da metodologia a ser utilizada no desenvolvimento de um projeto de pavimentação é de suma importância, visto que a variação entre os métodos é considerável e deve ser levada em consideração. Seja no método de obtenção do tráfego ou no modo utilizado para definição das espessuras das camadas granulares, esse ponto deve ser considerado na sustentabilidade do projeto.

As quatro metodologias apresentadas e abordadas ao longo do trabalho são eficientes e apresentam uma base teórica forte e confiável. No entanto, foi visto que a metodologia mais empírica, da PMSP, tende a apresentar estruturas mais robustas devido à segurança implícita em métodos que apresentam faixas de tráfego e tipos de estruturas padronizadas para cada situação.

É importante sempre ter a ciência que com o avanço tecnológico, os sistemas de transportes acompanham as mudanças. Isso pôde ser observado durante a análise do método da MT-01.15, do DER-MG, de 1985, que forneceu valores de número “N” consideravelmente superiores aos demais métodos. Ainda assim, chegou a um certo limite para a espessura de revestimento que, para esse método, é de 7,5 cm de concreto betuminoso.

Já os métodos do DNIT e SUDECAP, apesar de se diferenciarem no Estudo de Tráfego (o método do DNIT apresenta um equacionamento mais preciso, enquanto que o método da SUDECAP uma metodologia classificatória), ambos são mais atuais que os dois primeiros. Isso faz com que eles trabalhem mais para tráfegos pesados e isso pode ser verificado quando o método do DNIT, de acordo com o tráfego, indica espessuras de CBUQ até de 12,5 cm.

Dessa forma, fica clara a importância do estudo criterioso no método a ser utilizado e no olhar crítico do profissional designado para aplicá-lo. A economia de qualquer obra de engenharia começa na fase de projetos e todos devem ter a consciência disso.

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