Análise de degradação de pavimentos flexíveis considerando a variação sazonal de temperatura

Leandro Blass* Luciano Pivoto Specht Pedro Augusto Pereira Borges

UNIJUÍ - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul DeFEM – Departamento de física e matemática

Secretaria do Mestrado em Modelagem Matemática 98700 - 000, Rua São Francisco, 501 - Ijuí, RS

E-mail: leandroblass@hotmail.com

RESUMO

O transporte rodoviário tem papel fundamental no desenvolvimento social e econômico mundial, a pavimentação no Brasil tem uma importância indiscutível, onde mais de 60% das cargas e 96% dos passageiros são transportados através das rodovias. Apesar desta importância o Brasil possui apenas uma pequena parcela de 10% das rodovias pavimentadas.

O pavimento é uma estrutura composta por múltiplas camadas de diferentes espessuras com diferentes funções, as quais estão projetadas para propiciar uma superfície de rolamento que atenda aos requisitos de conforto e segurança para o tráfego de veículos, independente das condições climáticas. Segundo [2], seleciona – se e dimensiona – se um pavimento em função do tráfego e das condições ambientais, além das questões econômicas e da disponibilidade de materiais para construção. Nos pavimentos flexíveis a camada de revestimento é composta por materiais asfalticos, que, em grande maioria, são extraídos do petróleo; tendo como principal função impermeabilizar a superfície e distribuir os esforços das cargas aplicadas. Neste tipo de pavimento essas tensões impostas na estrutura agem de forma muito concentrada nas proximidades do ponto de aplicação.

Asfalto é um produto natural (presente em rochas ou em depósitos lacustres) ou derivado do petróleo, constituído essencialmente de betumes. São materiais termo - sensíveis, ou seja, tem suas propriedades mecânicas alteradas com a temperatura; conseqüentemente tem-se a variação de rigidez da camada de revestimento e a alteração das respostas estruturais dos sistemas multicamadas dos quais são compostos os pavimentos [4].

O tráfego e o clima são considerados os principais causadores da degradação dos pavimentos flexíveis, principalmente ao se tratar de trincamento por fadiga e afundamento em trilha de roda, que na maioria dos casos é causada pelo somatório do acúmulo de deformações plásticas nas diversas camadas. Segundo [1], [7], a variação da temperatura será causa da variação do módulo de rigidez com a profundidade, que por sua vez irão influenciar a resposta do pavimento e desempenho.

O fenômeno da fadiga relaciona-se com as solicitações dos diferentes níveis de tensões, o que, pouco a pouco, desenvolve alterações na estrutura interna dos materiais resultando na perda das características estruturais originais, gerando um processo de microfissuração progressiva. Em sua pesquisa, [6] afirma que a adição de 12% a 18% de borracha ao ligante, leva à produção de misturas com maior resistência à fadiga e às deformações permanentes e maior durabilidade. A incorporação de borracha, através do processo seco, melhora as características de resistência à fadiga e ao trincamento térmico, devido à menor sensibilidade às variações de temperatura.

Este trabalho, através da modelagem matemática, usa de métodos e modelos que futuramente podem ser considerados ferramentas importantes na elaboração de projetos, tanto na construção, quanto na restauração de pavimentos. Com o propósito de conhecer o comportamento da transferência de calor no revestimento de pavimentos flexíveis, considerando a variação sazonal de temperatura, serão verificadas as respostas estruturais das diferentes camadas submetidas ao carregamento de veículos rodoviários.

A primeira etapa da pesquisa consiste na coleta de dados, em um pavimento experimental localizado na cidade de Ijuí – RS, durante os doze meses do ano de 2010. Na segunda etapa, buscar-se-á, através da solução unidimensional da transferência de calor utilizando EDP (equações diferenciais parciais) e o método numérico de diferenças finitas

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implementado no Software Matlab, uma representação dos dados experimentais que vai facilitar o uso em diferentes profundidades.

A terceira etapa consiste na simulação do comportamento estrutural dos pavimentos flexíveis submetido a carregamentos. Para tanto será utilizado um modelo tridimensional sendo que as respostas estruturais (tensões e deformações) serão determinadas através do método dos elementos finitos usando o Software Ansys. O método de elementos finitos é uma técnica de análise numérica em meios contínuos, sendo capaz de determinar estados de tensões e deformações de uma estrutura sujeita a ações de forcas exteriores [3], [5].

A Figura 1 apresenta resultados típicos do pico de aquecimento do pavimento experimental.

29,0

39,0

49,0

59,0

69,0

79,0

12:59 13:39 14:20 15:00 15:41 16:21

Te

mp

era

tura

(ᵒC

)

Horário

Jan (15 cm)

Fer (15 cm)

Mar (15 cm)

Jan (12 cm)

Fer (12 cm)

Mar (12 cm)

Jan (9 cm)

fer (9 cm)

Mar (9 cm)

Jan (6 cm)

Fer (6 cm)

Mar (6 cm)

Jan (3 cm)

Fer (3 cm)

Mar (3 cm)

Jan (T.sup)

Fer (T.sup)

Mar (T.sup)

Jan (T.ar)

Fer (T.ar)

Mar (T.ar)

Figura 1 – Perfil da variação da temperatura.

A influência dos fatores ambientais no desempenho de pavimentos ainda é pouco

considerada na prática de projetos (utiliza-se sempre a temperatura de 25ºC) e através da modelagem matemática é possível compreender os mecanismos de degradação considerando todas as variáveis intervenientes, bem como auxiliar na escolha e seleção de novos materiais e estruturas. Palavras-chave: Modelagem matemática, transferência de calor, pavimento flexível, método de elementos finitos

Referências

[1] W. Alkasawneh, E. Pan, F Han, R. Zhu e R. Green. "Effect of temperature variation on pavement responses using 3D multilayered elastic analysis", International journal of Pavement, Engenharia, pp. 203 – 212, (2007).

[2] J. T. Balbo. " Pavimentação Asfáltica: materiais, projeto e restauração", São Paulo: Oficina de Textos, 2007.

[3] J. C. F. Hennemann. "Análise de Placas pelo Método dos Elementos Finitos". Dissertação de Mestrado, Porto Alegre, UFRGS, 1972.

[4] J. Medina. "Mecânica dos Pavimentos", UFRJ, Rio de janeiro, 1997. [5] H. L. Soriano. "Método de Elementos Finitos em Análises de Estruturas", Edusp, São

Paulo, 2003. [6] L. P. Specht. "Avaliação de misturas asfálticas com incorporação de borracha reciclada de

pneus", Tese de Doutorado, Porto Alegre, UFRGS, 2004. [7] A.T. Papagiannakis; A. E. Masad. "Pavement Design and Materials" , Wiley, Texas, 2008.

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