afinal porque pavimentos novos estão rompendo precocemente?

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AFINAL PORQUE PAVIMENTOS NOVOS ESTÃO ROMPENDO PRECOCEMENTE? UM ESTUDO SOBRE CAUSAS DE DEGRADAÇÕES PREMATURAS NA SUPERFÍCIE DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS Washington Peres Núñez Jorge Augusto Pereira Ceratti Paulo Ricardo Rodrigues Pinto Universidade Federal do Rio Grande do Sul Programa de Pós-Graduação em Departamento de Engenharia Civil RESUMO Desde os anos 1970, muitos métodos de dimensionamento de pavimentos flexíveis consideram o trincamento por fadiga, iniciado na fibra inferior da camada asfáltica, como o mecanismo de degradação mais crítico. Entretanto, recentemente, tem-se observado defeitos prematuros originados na superfície de pavimentos com camadas asfálticas espessas. Essas degradações são: trincamentos iniciados na superfície e afundamentos nas trilhas de rodas (ATR), que são considerados rupturas por cisalhamento. A ruptura por cisalhamento próxima à superfície de pavimento é um fenômeno complexo originado por fatores como: as tensões de contato pneu- pavimento; as características do concreto asfáltico e as condições ambientais. Os métodos tradicionais de dimensionamento consideram: a) configuração simplificada de carregamento (carga estática uniformemente distribuída sobre área circular e tensão de contato igual à pressão de inflação dos pneus); b) que o concreto asfáltico tem comportamento elástico; e c) que há aderência perfeita entre as camadas. Na realidade, os pneus dos caminhões geram tensões de contato extremamente desuniformes, o que origina um complexo estado tridimensional de tensões próximo à superfície. Face à tendência atual de construírem-se pavimentos com camadas asfálticas espessas, torna-se imperativo calcular tensões e deformações na proximidade da superfície do pavimento, levando em conta a interação real pneu-pavimento e a natureza viscoelástica do concreto asfáltico. Neste artigo, além de discutirem-se aspectos teóricos relacionados, caracteriza-se o comportamento de misturas asfálticas aplicadas em uma importante rodovia do Sul do País, através de ensaios de resistência ao cisalhamento e de análise de risco de ruptura na superfície dos pavimentos. Conclui-se que veículos que trafegam com excesso elevado de carga causam ruptura por cisalhamento, gerando afundamentos nas trilhas de roda e trincamentos de cima para baixo. A situação se agrava em dias de temperatura elevada, quando diminui a viscosidade do ligante asfáltico e a coesão da mistura asfáltica. Palavras-chave: pavimentos asfálticos; ruptura precoce; tensões cisalhantes; trincamentos de cima para baixo; afundamentos nas trilhas de roda. 1. INTRODUÇÃO Desde a década de 1970, a maioria dos métodos de dimensionamento de pavimentos flexíveis assume que o trincamento por fadiga na fibra inferior da camada de concreto asfáltico é o mecanismo de degradação mais crítico. Entretanto, recentemente tem-se observado defeitos prematuros em pavimentos flexíveis, que se originam na superfície dos pavimentos, especialmente quando os pavimentos apresentam camadas asfálticas espessas. Essas degradações incluem: a) trincamentos iniciados na superfície; e b) afundamentos nas trilhas de rodas resultantes de deformações plásticas na camada superior de concreto asfáltico. O afundamento nas trilhas de roda (ATR) é um dos principais mecanismos de degradação induzidos pela passagem de cargas em pavimentos asfálticos. Seu mecanismo fundamental está associado às deformações cisalhantes (mudanças de forma) na camada asfáltica.

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AFINAL PORQUE PAVIMENTOS NOVOS ESTÃO ROMPENDO PRECOCEMENTE? UM ESTUDO SOBRE CAUSAS DE DEGRADAÇÕES

PREMATURAS NA SUPERFÍCIE DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

Washington Peres Núñez Jorge Augusto Pereira Ceratti Paulo Ricardo Rodrigues Pinto

Universidade Federal do Rio Grande do Sul Programa de Pós-Graduação em Departamento de Engenharia Civil

RESUMO Desde os anos 1970, muitos métodos de dimensionamento de pavimentos flexíveis consideram o trincamento por fadiga, iniciado na fibra inferior da camada asfáltica, como o mecanismo de degradação mais crítico. Entretanto, recentemente, tem-se observado defeitos prematuros originados na superfície de pavimentos com camadas asfálticas espessas. Essas degradações são: trincamentos iniciados na superfície e afundamentos nas trilhas de rodas (ATR), que são considerados rupturas por cisalhamento. A ruptura por cisalhamento próxima à superfície de pavimento é um fenômeno complexo originado por fatores como: as tensões de contato pneu-pavimento; as características do concreto asfáltico e as condições ambientais. Os métodos tradicionais de dimensionamento consideram: a) configuração simplificada de carregamento (carga estática uniformemente distribuída sobre área circular e tensão de contato igual à pressão de inflação dos pneus); b) que o concreto asfáltico tem comportamento elástico; e c) que há aderência perfeita entre as camadas. Na realidade, os pneus dos caminhões geram tensões de contato extremamente desuniformes, o que origina um complexo estado tridimensional de tensões próximo à superfície. Face à tendência atual de construírem-se pavimentos com camadas asfálticas espessas, torna-se imperativo calcular tensões e deformações na proximidade da superfície do pavimento, levando em conta a interação real pneu-pavimento e a natureza viscoelástica do concreto asfáltico. Neste artigo, além de discutirem-se aspectos teóricos relacionados, caracteriza-se o comportamento de misturas asfálticas aplicadas em uma importante rodovia do Sul do País, através de ensaios de resistência ao cisalhamento e de análise de risco de ruptura na superfície dos pavimentos. Conclui-se que veículos que trafegam com excesso elevado de carga causam ruptura por cisalhamento, gerando afundamentos nas trilhas de roda e trincamentos de cima para baixo. A situação se agrava em dias de temperatura elevada, quando diminui a viscosidade do ligante asfáltico e a coesão da mistura asfáltica.

Palavras-chave: pavimentos asfálticos; ruptura precoce; tensões cisalhantes; trincamentos de cima para baixo; afundamentos nas trilhas de roda. 1. INTRODUÇÃO Desde a década de 1970, a maioria dos métodos de dimensionamento de pavimentos flexíveis assume que o trincamento por fadiga na fibra inferior da camada de concreto asfáltico é o mecanismo de degradação mais crítico. Entretanto, recentemente tem-se observado defeitos prematuros em pavimentos flexíveis, que se originam na superfície dos pavimentos, especialmente quando os pavimentos apresentam camadas asfálticas espessas. Essas degradações incluem:

a) trincamentos iniciados na superfície; e

b) afundamentos nas trilhas de rodas resultantes de deformações plásticas na camada superior de concreto asfáltico.

O afundamento nas trilhas de roda (ATR) é um dos principais mecanismos de degradação induzidos pela passagem de cargas em pavimentos asfálticos. Seu mecanismo fundamental está associado às deformações cisalhantes (mudanças de forma) na camada asfáltica.

Os trincamentos de cima para baixo (top-down cracking, TDC), que geralmente ocorrem na direção longitudinal, tangenciando as trilhas de roda, ou no seu interior, têm-se tornado, nos últimos anos, mais comuns em pavimentos asfálticos. Este tipo de defeito também é considerado como sendo uma ruptura por cisalhamento. Desta forma, pode considerar-se que a tensão cisalhante um dos fatores que mais afeta o desempenho de pavimentos asfálticos, o que impõe a necessidade de quantificar e analisar os efeitos deste tipo de tensão nos pavimentos asfálticos. 2. FATORES QUE CAUSAM A RUPTURA POR CISALHAMENTO DE PAVIMENTOS PRÓXIMO À SUPERFÍCIE A ruptura por cisalhamento que se origina próxima à superfície de pavimento é um fenômeno complexo originado por vários fatores como:

• as tensões de contato pneu-pavimento; • as características do concreto asfáltico; e • as condições ambientais.

2.1. Tensões de Contato Pneu-Pavimento Os métodos tradicionais de dimensionamento de pavimentos flexíveis consideram: a) uma configuração simplificada de carregamento (carga estática uniformemente distribuída sobre uma área circular e tensão de contato igual à pressão de inflação dos pneus); b) que o concreto asfáltico tem comportamento elástico; e c) que há aderência perfeita entre as camadas. Contudo, estas considerações são inconsistentes com as condições reais de carregamento impostas pelos veículos de carga e com a natureza viscoelástica do concreto asfáltico. Tais considerações podem resultar em cálculos errôneos das respostas dos pavimentos (resultando em previsão de desempenho erradas), especialmente nas proximidades da superfície do pavimento, onde o efeito da interação pneu-pavimento é mais significativo. Segundo os pesquisadores estadunidenses Wang e Al-Qadi (2010) um dos fatores principais que causam degradações nas proximidades da superfície do pavimento é o comportamento tensão-deformação causado pelas tensões de contato pneu-pavimento nesse entorno. A Figura 1 mostra a distribuição de tensões normais (σv vertical ou σH horizontal) e cisalhantes (τ) no revestimento asfáltico solicitado por uma carga em movimento. A realidade é que os pneus dos caminhões geram tensões de contato verticais, transversais e longitudinais extremamente desuniformes. Esta situação origina um complexo estado tridimensional (3-D) de tensões, próximo à superfície do pavimento. Portanto, ao analisar-se o potencial de ruptura do concreto asfáltico na proximidade da superfície do pavimento, em lugar de considerar-se que as cargas se distribuem uniformemente sobre áreas circulares, é preciso considerar o estado multiaxial de tensões.

Figura 1: Distribuição de tensões geradas por carga em movimento (Bernucci et al., 2008) Desde o início dos anos 1990, pesquisas têm sido realizadas na República Sul Africana (e posteriormente na Califórnia), com uma célula de tensão 3-D que permite medir tensões de contato nas direções vertical, longitudinal e transversal. O equipamento, mostrado na Figura 2, e os resultados de sua aplicação têm sido analisados em trabalhos publicados por pesquisadores da República Sul Africana (RSA), especialmente por Morris de Beer.

Figura 2: A célula de tensão 3-D desenvolvida na RSA e convenção de sinais para tensões e deformações: X – Longitudinal, Y – Transversal e Z – Vertical (de Beer et al., 2004)

A célula de tensão 3-D é constituída por um conjunto de elementos sensores (“pins”). As Figuras 3 a 7 (de Beer, 2004) mostram que as tensões de contato na direção vertical não são uniformes. A Figura 3 mostra uma condição na qual o pneu transmite ao pavimento uma carga muito elevada (49 kN ou 4.900 kgf). Neste caso, a tensão vertical de contato é maior nas paredes do pneu, alcançando valores próximos a 1.400 kPa, muito superior às pressões de inflação dos pneus (variando entre 420 kPa e 720 kPa). A mesma Figura mostra que na região central do pneu (pin 11) as tensões verticais são significativamente menores, e nela, sim, a pressão vertical de contato é praticamente igual à pressão de inflação do pneu.

Figura 3: Tensões verticais de contato na direção transversal do pneu (largura 220 mm), considerando-se várias pressões de inflação e a mesma carga (49 kN ou 4.900 kgf). Quando as cargas são muito elevadas em relação à pressão de inflação dos pneus, a forma do contorno da tensão de contato vertical assemelha-se à letra “m”, como mostra a Figura 4.

Figura 4: Contorno de tensão vertical de contato em forma de “m”

Já quando as cargas são baixas em relação à pressão de inflação, as tensões verticais são maiores no centro do pneu. A figura 5 mostra a distribuição de tensões verticais geradas por uma carga de 18 kN (1.800 kgf), sob várias pressões de inflação. Observa-se que nos pins 8, 12 e 15 ocorrem as maiores tensões e que estas são maiores que as pressões de inflação.

Figura 5: Tensões verticais de contato na direção transversal do pneu (largura 220 mm), considerando-se várias pressões de inflação e a mesma carga (18 kN ou 1.800 kgf) Quando as cargas são muito baixas em relação à pressão de inflação dos pneus, a forma do contorno da tensão de contato vertical assemelha-se à letra “n”, como mostra a Figura 6. Também a Figura 7 mostra que o que define a forma de distribuição das tensões verticais de contato é a relação entre a carga e a pressão de inflação do pneu. Mantendo-se a pressão de inflação do pneu igual a 620 kPa (aproximadamente 90 psi), observa-se que as cargas elevadas (50 kN e 40 kN) produzem um padrão de distribuição de tensões na forma de “m”, enquanto que a carga de 20 kN produz um padrão em forma de “n”. Mais importante, ainda, é observar que a carga de 50 kN produz uma tensão vertical máxima de 1.400 kPa, valor 126% superior à pressão de inflação do pneu (620 kPa).

Figura 6 Contorno de tensão vertical de contato em forma de “n”.

Os pesquisadores sul-africanos constataram que a não uniformidade das tensões de contato verticais encontra réplica nas distribuições de tensões nas direções longitudinal e transversal.

Figura 7: Tensões verticais de contato na direção transversal do pneu (largura 220 mm), considerando-se várias cargas e a mesma pressão de inflação (620 kPa ou 90 psi) Para levar em conta a influência da verdadeira tensão de contato pneu-pavimento nas respostas estruturais de pavimentos, Su et al. (2008) avaliaram as tensões cisalhantes em camadas asfálticas produzidas pela distribuição não uniforme de tensões aplicadas ao pavimentos. Através de um estudo numérico, constataram que a máxima tensão cisalhante ocorre abaixo das paredes laterais dos pneus, aumentando inicialmente com a profundidade até alcançar um valor máximo, depois diminuindo. Os autores concluíram que tanto a carga quanto a pressão de enchimento do pneu contribuem significativamente para a magnitude da tensão cisalhante; sendo que o excesso de carga é mais perigoso que o de pressão de inflação.

Figura 8: Distribuição da tensão cisalhante em um plano transversal. (Su et al., 2008) A Figura 8 apresenta distribuições de tensões cisalhantes em um plano horizontal. Três condições de carregamento são consideradas. Nas letras a), b) e c), o primeiro número corresponde à pressão de inflação e o segundo número à carga por roda. As maiores tensões cisalhantes são observadas sob as paredes laterais dos pneus no caso de excesso de carga (caso b) e condições normais de carregamento (caso a); enquanto que se houver excesso de pressão de inflação (caso c) as tensões cisalhantes são similares nas paredes laterais do pneu e no cento do mesmo.

Su et al. (2008) concluíram que elevadas tensões cisalhantes atuam nas faces externas da área carregada (sob as paredes laterais dos pneus). Se a tensão cisalhante for suficientemente elevada, poderá ocorrer ruptura por cisalhamento próximo às paredes laterais dos pneus; ruptura esta que resultará em deformações plásticas na camada asfáltica (ATR) e do surgimento de trincamentos superficiais de cima para baixo (TDC). Ainda analisando a Figura 8, é importante observar que: na condição de carregamento (b), com pressão de inflação de 0,81 MPa (116 psi) e carga de roda de 50,0 kN, a tensão cisalhante máxima (embaixo das paredes laterais do pneu) é 0,37 MPa (3,70 kgf/cm2); enquanto que nas outras condições: carga de roda 25,0 kN e pressões de inflação de 0,60 MPa (caso a) e de 1,05 MPa (caso c) são iguais a 0,22 MPa e 0,27 MPa, respectivamente. 2.2. Teorias de Ruptura por Cisalhamento Diversos pesquisadores empregaram o critério de Mohr-Coulomb como indicativo de deformações prematuras em pavimentos asfálticos, mas são escassos os estudos sobre avaliação de degradações próximas à superfície do pavimento, com base em teorias de ruptura sob estados multiaxiais de tensões. Face à tendência atual de construírem-se pavimentos com camadas asfálticas espessas, além de analisar a deformação horizontal na fibra inferior da camada asfáltica, se tornará imperativo considerar tensões e deformações na proximidade da superfície do pavimento. Mais ainda, o cálculo dessas tensões e deformações e a análise dos mecanismos de degradação do concreto asfáltico sob estado multiaxial de tensões deverão levar em conta a interação real pneu-pavimento e a natureza viscoelástica do concreto asfáltico. 2.2.1. A Teoria de Ruptura por Cisalhamento de Mohr-Coulomb A teoria de Mohr-Coulomb fornece um modo fácil de expressar o estado multiaxial de tensões usando círculos de Mohr, como o mostrado na Figura 9.

Figura 9: Representação do critério de ruptura de Mohr-Coulomb.

A abscissa do centro do círculo de Mohr é (σ1 + σ3)/2 e o raio do círculo (σ1 - σ3)/2, sendo σ1, σ2 e σ3 as tensões principais maior intermediária e menor, respectivamente, em um estado de tensões 3-D. A envoltória do círculo de Mohr é dada pela equação:

τ = c + σ tan φ ( Equação 1)

na qual τ é a tensão de cisalhamento na ruptura (ou seja, a resistência ao cisalhamento) e σ é a tensão normal na ruptura. Os parâmetros c (intercepto coesivo) e φ (ângulo de atrito) são baseados em resultados de ensaios de resistência à compressão triaxial, realizados com vários níveis de tensões confinantes (σ), como mostrado na Figura 10.

Figura 10: Definição da envoltória de ruptura (Failure envelope) a partir de resultados de três ensaios de resistência à compressão triaxial De acordo com o critério de ruptura de Mohr-Coulomb, a ruptura de um material ocorrerá quando um determinado círculo de Mohr tangenciar a envoltória. Ao invés de desenhar uma série de círculos de Mohr, é conveniente plotar os estados de tensões como pontos com coordenadas p = (σ1 + σ3)/2 e q = (σ1 - σ3)/2, sendo p a tensão normal e q a tensão cisalhante. Este tipo de representação é mostrado na Figura 11.

Figura 11: Critério de ruptura de Mohr-Coulomb em diagrama p-q.

2.2.2. Estados Multiaxiais de Tensões Próximos à Superfície do Pavimento A teoria clássica de Mohr-Coulomb é largamente empregada na Mecânica dos Solos. As misturas asfálticas (como, por exemplo, o concreto asfáltico) são constituídas de agregados, ligante asfáltico e ar, e são análogas aos solos, compostos, por sua vez, de partículas sólidas, água e ar. A temperaturas intermediárias e elevadas, o concreto asfáltico pode ser modelado como sendo um material com propriedades friccionais (atrito) e coesivas; portanto, a ele pode ser aplicado o critério de Mohr-Coulomb. Estudo realizado anteriormente (Tan et al., 1994) mostrou que o ângulo de atrito (φ) de um concreto asfáltico é fundamentalmente função do intertravamento entre as partículas e é independente da temperatura do ensaio. Por sua vez, o intercepto coesivo (c) é governado pelo ligante e é fortemente afetado pela temperatura e a taxa de deformação do ensaio. Novak et al. (2003) salientaram que as misturas asfálticas são materiais cujo comportamento é condicionado pelo estado de tensões a que estão submetidos. Esta observação tem importância porque os parâmetros de resistência (c e φ) das misturas asfálticas são geralmente obtidos sob elevadas tensões de confinamento, extrapolando-se os resultados de ensaios triaxiais para tensões de confinamento baixas. Entretanto, enfatizam os autores, para obter parâmetros representativos da mistura asfáltica é fundamental realizar ensaios sob baixas tensões confinantes, que ocorrem em regiões com tendência à ruptura por cisalhamento. 2.2.3. Influência das Características da Mistura Asfáltica nos Parâmetros de Resistência Há poucas referências internacionais sobre determinação de parâmetros de resistência ao cisalhamento de misturas asfálticas. Haryanto e Takahashi (2007) estimaram, a partir de resultados de ensaios de resistência à tração na compressão diametral os parâmetros de resistência ao cisalhamento de misturas asfálticas, com diversas composições granulométricas, empregadas na Indonésia. Os valores do intercepto coesivo (c) variaram entre 417 kPa e 866 kPa e os do ângulo de atrito interno (φ) entre 51° e 57°. Esses valores, que não resultaram de ensaios triaxiais e sim de correlações com ensaios de resistência à tração na compressão diametral, parecem muito elevados. Wang e Al-Qadi (2010) a partir de estudos de Gokhale et al. (2005) e Hajj et al. (2007), consideraram c = 600 kPa e φ = 40°, como representativos, à temperatura de 25°C, de misturas asfálticas empregadas nos Estados Unidos. Contudo, sabe-se que naquele país a prática é elaborar misturas asfálticas com ligantes polimerizados, que proporcionam à mistura asfáltica maior coesão. Portanto, é de supor-se que misturas asfálticas com ligantes convencionais apresentem valores inferiores de coesão. Corroborando esta afirmação salienta-se que, em pesquisa anteriormente realizada, Novak et al. (2003) consideraram valores de c menores: 200 kPa e 140 kPa, a 25°C e 40°C , respectivamente. 2.2.4. Influência das Condições Ambientais nos Parâmetros de Resistência Novak et al. (2003) afirmaram que a temperaturas elevadas, as misturas asfálticas comportam-se como materiais granulares com baixa coesão, devido à redução da viscosidade do ligante asfáltico. Em consonância, Wang e Al-Qadi (2010) constataram que o aumento da temperatura do pavimento de 25°C para 45°C reduziu a coesão de uma determinada a mistura asfáltica de 600 kPa para 400 kPa (33%). Já o ângulo de atrito interno não foi afetado de

forma significativamente pela temperatura do pavimento. Novamente se observa que esses valores podem ser representativos nos Estados Unidos, mas não necessariamente no Brasil. Também se destaca que as temperaturas do pavimento na Região Sul do Brasil superam os 55°C (em dias de verão ensolarados) e, portanto, a magnitude da redução da coesão pode ser significativamente superior. 3. ESTUDO DE CASO: SUSCETIBILIDADE A RUPTURA POR CISALHAMENTO DE UM PAVIMENTO ASFÁLTICO ESPESSO NO SUL DO PAÍS 3.1. Resultados de Ensaios de Resistência ao Cisalhamento Com o objetivo de melhor caracterizar o comportamento de misturas asfálticas (espessura total de 15 a 17 cm) aplicadas na pavimentação de uma importante rodovia no Sul do País foi realizado um estudo sobre a resistência ao cisalhamento das mesmas, seguido de uma análise sobre o risco de ruptura por cisalhamento na superfície dos pavimentos. Os corpos-de-prova de misturas asfálticas foram extraídos na pista e ensaiados à compressão triaxial no Laboratório de Engenharia de Minas da UFRGS, sendo obtida a envoltória de ruptura apresentada na Figura 12 e os seguintes parâmetros de resistência ao cisalhamento:

• Coesão (c) = 480 kPa

• Ângulo de Atrito (φ) = 45,65°

Estes valores são semelhantes aos relatados na bibliografia internacional, mesmo que a maioria dos dados apresentados no item 2.2.3 corresponda a misturas com ligante asfáltico modificado por polímeros, enquanto que nas misturas empregadas na obra em questão empregou-se ligante asfáltico convencional (CAP 50/70).

Figura 12: Círculos de Mohr e envoltória de ruptura da mistura asfáltica em questão Transformando os valores de c e φ na forma do diagrama p-q da Figura 11, obtêm-se para a envoltória de ruptura os parâmetros:

d = 336 kPa Ψ = 35,57°

3.2. Caracterização do Tráfego que Solicita o Pavimento em Foco Para avaliar o risco de possíveis rupturas por cisalhamento na superfície dos pavimentos asfálticos, é preciso conhecer a magnitude das cargas que solicitarão o pavimento, bem como a constituição (espessuras e características dos materiais) do mesmo. Assim, considerou-se resultados de um Estudo de Tráfego realizado em dezembro de 2009 na região e uma análise dos excessos de cargas determinados em balanças localizadas nas proximidades da obra. Os Quadros 1 e 2, a seguir, apresentam as sínteses de pesagens realizadas nas balanças, destacando-se os excessos de carga, bem como as cargas máximas por eixo medidas ao longo do período em análise. Na Balança localizada no sentido Leste-Oeste foram pesados 41.537 veículos comerciais, totalizando 163.171 eixos, entre 5 de janeiro e 30 de outubro de 2009. Ja na Balança localizada no sentido Oeste-Leste foram pesados 61.820 veículos comerciais, totalizando 308.004 eixos, entre 5 de janeiro de 2009 e 20 de janeiro de 2010.

Quadro 1: Síntese do registro de excesso de carga na Balança Oeste-Leste

BALANÇA OESTE-LESTE

% de veículos com PBT superior ao PBT limite 14% Carga máxima (tf)

% de eixos simples com carga superior à limite 11% ES ETD ETT

% de eixos tandem duplos c/carga superior à limite 7% 17,500 29,570 57,580

% de eixos tandem triplos c/carga superior à limite 6%

Quadro 2: Síntese do registro de excesso de carga na Balança Leste-Oeste

BALANÇA LESTE-OESTE

% de veículos com PBT superior ao PBT limite 17% Carga máxima (tf)

% de eixos simples com carga superior à limite 14% ES ETD ETT

% de eixos tandem duplos c/carga superior à limite 5% 17,160 29,210 56,040

% de eixos tandem triplos c/carga superior à limite 2%

Lembra-se que os valores limites de cargas de eixo, com tolerância (7,5%), são os seguintes: Carga de eixos simples (com rodado duplo) 10,750 tf Carga de eixo tandem duplo 18,275 tf Carga de eixo tandem triplo 27,413 tf Os dados apresentados nos Quadros 1 e 2 mostram que:

a) o excesso de carga na região é uma realidade, sendo que 14% e 17% dos veículos pesados nas Balanças Oeste-Leste e Leste-Oeste apresentaram PBT superior ao limite; no geral, os excessos de carga são semelhantes nos dois sentidos da rodovia;

b) a maior incidência de sobrecarga se dá nos eixos simples: 11% na Balança Oeste-Leste e 14% na Balança Leste-Oeste. A máxima carga de eixo simples medida foi de 17,5 tf, representando um excesso de carga de aproximadamente 63% em relação à carga máxima legal com tolerância para esse tipo de eixo (10,75 tf);

c) A maior carga de eixo tandem duplo pesada foi de 29,57 tf, que representa um excesso

de carga de aproximadamente 62% em relação à carga máxima legal com tolerância para esse tipo de eixo (18,275 tf). A maior carga de eixo tandem triplo foi de 57,58 tf, representando um excesso de carga de aproximadamente 110% em relação à carga máxima legal com tolerância para esse tipo de eixo (27,413 tf); e

d) os excessos de carga podem ser muito elevados, o que torna imperioso o

funcionamento de balanças, de forma a coibir os excessos que encurtam de sobremaneira a vida dos pavimentos.

3.3. Avaliação do Risco de Ruptura por Cisalhamento das Misturas Asfálticas

Para avaliar-se o risco de ruptura por cisalhamento das misturas asfálticas empregadas no pavimento em questão, procedeu-se a uma análise mecanística visando determinar os valores de σ1 (tensão principal maior) e σ3 (tensão princpial menor) atuantes na superfície e às profundidades de 2 cm, 4 cm 6 cm e 8 cm. O carregamento considerado foi o de uma única roda com carga de 50.000 N (5.000 kgf). A pressão de inflação dos pneus foi considerada igual a 840 kPa (120 psi). Com emprego do software EVERSTRES 5.0 do Washington State Department of Transportation, calcularam-se os valores de σ1 e σ3 atuantes sob as paredes laterais das rodas, a várias distâncias de centro da roda, na direção longitudinal. De posse desses valores calcularam-se p = (σ1 + σ3)/2 e q = (σ1 - σ3)/2 e plotaram-se esses pontos no diagrama p-q, como mostrado na Figura 13. Na Figura 13 observa-se que nenhum dos estados multiaxiais de tensões alcança a envoltória de ruptura; então, em princípio, não haveria risco de ruptura por cisalhamento da mistura próximo à superfície do pavimento. Há, contudo, um aspecto de extrema importância a considerar: o software EVERSTRESS 5.0, como qualquer programa baseado na Teoria da Elasticidade aplicada a Camadas Múltiplas, assume que as cargas das rodas se distribuem uniformemente em áreas circulares; que as tensões de contato nas direções vertical, longitudinal e transversal e longitudinal são iguais e que a tensão de contato é igual à pressão de inflação nos pneus. Essas hipóteses, embora sejam consideradas verdadeiras na maioria dos métodos de dimensionamento, não são consistentes com a realidade. Na realidade, a consideração de que as tensões se distribuem uniformemente faz subestimar os estados multiaxiais de tensões e as tensões cisalhantes atuantes nas misturas asfálticas, como mostra a Figura 14.

Figura 13: Representação no diagrama p-q dos estados multiaxiais de tensões próximo à superfície do pavimento e envoltória de ruptura de Mohr-Coulomb (d = 336 kPa)

Figura 14: Estados multiaxiais de tensões no espaço p-q e envoltórias de ruptura de Mohr-Coulomb correspondentes a φ = 40° e diferentes coesões. (Novak et al., 2003) A Figura 14, apresentada por Novak et al. (2003) mostra que os pneus radiais (identificados como 5-Rib Radial e 4-Rib Radial, sendo Rib é o friso do pneu) produzem elevadas tensões cisalhantes na superfície, sob baixas tensões confinantes (normais); um estado de tensões que tende a causar ATR e TDC. Esses estados de tensões que se aproximam (e em casos estão acima) da envoltória de ruptura foram determinados através considerando a distribuição não uniforme de tensões de contato. Já os triângulos (identificados como Uniform Vertical) correspondem a estados multiaxiais de tensões calculados considerando que as cargas verticais são distribuídas uniformemente em áreas circulares. Como mostrado nas Figuras 3 e 7 deste artigo, as tensões verticais de contato nas paredes do pneu podem superar em mais de 100% a tensão vertical de contato no centro do pneu (que é aproximadamente igual à pressão de inflação dos pneus). Portanto, considerar que as cargas transmitidas pelos veículos comerciais distribuem-se uniformemente em áreas circulares, gerando um estado de tensão de contato igual em todas as direções, além de não encontrar amparo na realidade, faz que se subestime o risco de ruptura por cisalhamento nas proximidades da superfície dos pavimentos asfálticos. É possível que os estados de tensões representados na Figura 15 sejam mais representativos para o pavimento em questão.

Figura 15: Representação no diagrama p-q dos estados multiaxiais de tensões próximo à superfície do pavimento e envoltória de ruptura de Mohr-Coulomb (d = 236 kPa) Na Figura 15 compensou-se o efeito da não uniformidade dos estados de tensões através de uma redução da coesão da mistura. Este procedimento está respaldado nos dados mostrados na Figura 14, na qual os valores de q (tensão cisalhante) calculados assumindo a não uniformidade das tensões de contato, são, de modo geral, 100 kPa superiores aos calculados considerando tensão vertical uniforme. Assim, é lícito concluir que veículos que trafegarem com excesso elevado de carga poderão causar ruptura por cisalhamento na superfície do pavimento, gerando ATR e TDC. A situação poderá ser agravada em dias de temperatura elevada, quando diminuem a viscosidade do ligante asfáltico e a coesão da mistura asfáltica. Salienta-se que a compensação proposta na Figura 15 é questionável e que, procurando contornar as limitações da Teoria da Elasticidade aplicada a Camadas Múltiplas, pesquisa está sendo desenvolvida no Laboratório de Pavimentação da UFRGS visando considerar o efeito da não uniformidade dos estados de tensões na análise de risco de ruptura de misturas asfálticas por cisalhamento. 4. CONCLUSÕES As principais conclusões do estudo relatado neste artigo são as seguintes:

a) A tensão cisalhante é um dos fatores que mais afeta o desempenho de pavimentos asfálticos. Se esta tensão for suficientemente elevada, poderá ocorrer ruptura por cisalhamento, que resultará em deformações plásticas na camada asfáltica (ATR) e trincamentos superficiais de cima para baixo (TDC).

b) Os pneus dos caminhões geram tensões de contato verticais, transversais e longitudinais extremamente desuniformes, e, ao analisar-se o potencial de ruptura do concreto asfáltico na proximidade da superfície do pavimento é preciso considerar o estado multiaxial de tensões.

c) Face à tendência atual de construírem-se pavimentos com camadas asfálticas espessas,

se tornará imperativo considerar tensões e deformações na proximidade da superfície

do pavimento, levando em conta a interação real pneu-pavimento e a natureza viscoelástica do concreto asfáltico.

d) O critério de ruptura por cisalhamento de Mohr-Coulomb pode ser utilizado com

misturas asfálticas. Os parâmetros de resistência ao cisalhamento da mistura analisada são c = 480 kPa e φ = 45,65°, valores semelhantes aos relatados na bibliografia, mesmo que a maioria dos dados citados corresponda a misturas com ligante asfáltico polimerizado, diferentes das empregadas na obra em foco.

e) O excesso de carga atuante na região analisada é uma realidade, o que contribuirá de

forma significativa para a ocorrência de defeitos prematuros nospavimento.

f) Numa primeira análise, nenhum dos estados multiaxiais de tensões atuantes na superfície do pavimento analisado alcança a envoltória de ruptura por cisalhamento. Entretanto, a consideração de que as cargas transmitidas pelos veículos comerciais distribuem-se uniformemente, gerando uma distribuição de tensões de contato uniforme, além de irreal, faz que se subestime o risco de ruptura por cisalhamento nas proximidades da superfície dos pavimentos.

g) À luz da fundamentação teórica apresentada e dos resultados de ensaios de resistência

à compressão triaxial, conclui-se que veículos que trafegarem com excesso elevado de carga poderão causar ruptura por cisalhamento na superfície de pavimentos, gerando ATR e TDC. A situação poderá ser agravada em dias de temperatura elevada, quando diminui a viscosidade do ligante asfáltico e a coesão da mistura asfáltica.

Salienta-se, finalmente, que outros mecanismos de degradação como o trincamento por fadiga e a reflexão de trincas também são responsáveis por rupturas precoces de pavimentos flexíveis. Neste artigo enfatizou-se a ruptura por cisalhamento por ser um mecanismo de degradação que comumente não é considerado no dimensionamento de pavimentos. Também se destaca a importante contribuição de pesquisadores brasileiros como Márcio Muniz Farias, Régis Martins Rodrigues e Filipe Franco na discussão dos efeitos das tensões cisalhantes em pavimentos asfálticos. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Construtora Queiroz Galvão e à Concessionária da Rodovia Osório – Porto Alegre (Concepa), empresas das quais receberam apoio para a realização do Estudo relatado neste artigo, bem como ao CNPq por apoiarem as atividades de pesquisa dos dois primeiros autores, no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPGEC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bernucci, L.L.B.; Motta, L.M.G.; Ceratti, J.A.P.; Soares, J.B. Pavimentação Asfáltica – Formação Básica para

Engenheiros. 501 p., 2008. De Beer, M.; Fisher, C.; Kannemeyer, L. Tire-Pavement Interface Contact Stresses on Flexible Pavements –

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Endereço dos autores: Washington Peres Núñez: Av. Carlos Gomes 1805/303. Porto Alegre – CEP 90480-005. RS. Fone: (51)33387836 ou (51)96779935. e-mail: [email protected] Jorge Augusto Pereira Ceratti: Av. Osvaldo Aranha 99, 3° andar. Porto Alegre – CEP 90035-190.RS. Fone: (51)33083590. e-mail: [email protected]