anÁlise mecanicista de estruturas de pavimentos · básicos para a determinação de materiais...

ANÁLISE MECANICISTA DE

ESTRUTURAS DE PAVIMENTOS

Universidade do Estado de Santa Catarina

Pós-Graduação em Engenharia Civil – Mestrado Acadêmico

Profa. Adriana Goulart dos Santos

NECESSIDADE DA ANÁLISE ESTRUTURAL

DE PAVIMENTOS

Os critérios de dimensionamento fundamentados no

método do CBR e na perda de serventia não consideram

o fato de camadas de revestimentos asfálticos e de

bases e sub-bases, asfálticas ou cimentadas,

trabalharem a flexão e ficarem assim sujeitas a esforços

de tração na flexão

FADIGA

Do ponto de vista puramente de resistência de materiais,

elementos da estrutura sujeitos a esforços de quaisquer

natureza devem ser verificados quanto à sua capacidade

de resistir a tais esforços

O QUE OS MÉTODOS DE

DIMENSIONAMENTO PERMITEM FAZER:

Contemplar os critérios de resistência à ruptura e de

resistência à fadiga para camadas asfálticas e tratadas

com cimento === foco de várias pesquisas, em especial

entre 1983 a 1993

Os avanços futuros vão se concentrar na questão da

progressiva deformação plástica dos materiais

Um ferramental básico para a análise mais completa das

estruturas de pavimentos é a:

Teoria de Sistemas de Camadas Elásticas

(TSCE)===que permite a determinação de estados de

deformações e tensões em vários pontos das camadas

do pavimento

Teoria de Sistemas de Camadas Elásticas

(TSCE)

Conhecidos os estados de deformações e tensões em

vários pontos das camadas do pavimento

Modelos de degradação por fadiga ou por deformação

plástica dos materiais de pavimentação

Podem ser relacionados

Passos básicos para uma análise estrutural completa de

pavimentos asfálticos:

Fonte: Balbo, 2007

Nesta parte do curso vamos nos pautar pelo

encaminhamento das análises estruturais, que são

denominadas análises mecanicistas

Atendimento de critérios de fadiga, ainda que não

normativos

Para isso é necessário fixar algumas ideias básicas,

pois mesmo esses critérios possuem limitações

bastante visíveis

Devem-se considerar os seguinte questionamentos

para uma análise mecanicista consistente:

Visando o:

Os passos básicos para uma análise estrutural completa

de pavimentos asfálticos:

Fonte: Balbo, 2007

Respondidas as questões sugeridas, ter-se-ia melhor

consciência nos processos de análise estrutural, com

escolhas de programas de computador adequados, bem

como na especificação a priori de materiais cujo

comportamento à fissuração seja algo mais real

Em obras urbanas e rurais, que demandam

investimentos pesados, nada melhor que estudos

básicos para a determinação de materiais passíveis de

emprego e um programa consistente

É necessário o apoio de laboratório especializado, na

análise de fadiga e de plastificação dos materiais

Para uma análise geral de comportamento estrutural de

pavimentos asfálticos flexíveis, foi escolhida a seguinte

estrutura:

RESPOSTAS ESTRUTURAIS DE UM PAVIMENTO COM

BASE EM SIMULAÇÕES FEITAS EM PROGRAMAS DE

TSCE:

BACIA DE DEFLEXÃO – MEDIÇÃO DO

DESLOCAMENTO ELÁSTICO EM VÁRIOS PONTOS A

PARTIR DA CARGA

Fonte: Bernucci et al, 2007

As simulações foram realizadas com variações de espessuras de

camadas e módulos de resiliência típicos de materiais de pavimentação

empregados em obras rodoviárias e urbanas nacionais

RESPOSTAS ESTRUTURAIS DE UM PAVIMENTO COM

BASE EM SIMULAÇÕES FEITAS EM PROGRAMAS DE

TSCE:

Fonte: Balbo, 2007 Revestimento em CAUQ convencional = 3.500 MPa

CAMP = 2.000 MPa

CAUQ de alto módulo = 6.000 MPa

Resultados de análises de pavimentos asfálticos

flexíveis com a TSCE:

Fonte: Balbo, 2007

As análises foram realizadas para se obterem respostas estruturais em linha vertical

que passa pelo centro geométrico de um dos pares de roda do eixo

Contribuição percentual na deflexão total de cada uma das

camadas de pavimentos (%):

Fonte: Balbo, 2007

As contribuições das camadas de base e de subleito são calculadas,

respectivamente, pelas expressões:

As deflexões totais em pavimentos asfálticos flexíveis mantiveram-se na faixa

entre 50 a 80 centésimos de milímetros===padrão comum em rodovias

brasileiras

Os revestimentos asfálticos (elementos mais rígidos) praticamente não

sofreram deformações específicas verticais em suas camadas===contribuição

para a deflexão total quase inexistente

Os subleitos (elementos mais deformáveis elasticamente) respondem pela

maior parcela de contribuição para a formação de deflexões totais===variando

entre 60% e 85%

Nos casos 6 e 7, a menor contribuição do subleito ocorreu pelo aumento do

seu MR=== o que torna a estrutura menos deformável

O aumento do MR de base, como nos casos 8 e 9, gerou uma melhor

distribuição de pressões sobre o subleito (menores valores de

σv)===garantindo níveis de deformações menores do subleito

Quanto menos deformável for a base, mais esta passa a contribuir para a

mobilização das deformações (caso 8 e 9). A base é mais exigida nesse

quesito quando apoiada sobre subleitos menos resilientes (menos

deformáveis)

O aumento da espessura de revestimento alivia as pressões sobre as bases

=== deformam menos, contribuindo menos para a deflexão total

Em contrapartida, os revestimentos apresentam aumento em sua contribuição

quando são mais espessos (casos 2 e 3)

O efeito dessa espessura é inverso no caso dos subleitos, pois, com as bases

contribuindo menos, as camadas de fundação arcam com o ônus (casos 2 e 3)

Forma das bacias de deflexões:

Observam-se alterações importantes nos valores de deflexões centrais nas bacias com o aumento da espessura do revestimento:

A redução na deformabilidade proporcionada pela espessura do revestimento reflete muito pouco a partir de distâncias de 0,30m da carga, que resulta em bacias semelhantes

Bacias de deflexão segundo as espessuras dos revestimentos:


A variação do MR do revestimento asfáltico é pouco significativa na influencia do módulo de elasticidade do revestimento no resultado das distribuições de esforços nas camadas inferiores

Para a diminuição da deformabilidade das estruturas, é mais importante a espessura do revestimento asfáltico que o próprio MR==causam reduções, porém de menores magnitudes

Bacias de deflexão segundo o MR do revestimento:


Quando o MR do subleito aumenta, as deflexões diminuem e tal decréscimo é sentido em toda a área de influência da carga

Os decréscimos são menos sensíveis à medida que os módulos aumentam

Bacias de deflexão segundo o MR do subleito:


A variação de 150mm para 300mm na espessura da base causa uma

pequena melhora na reposta do pavimento, com redução das deflexões

A forma geral das bacias não se altera com variações na espessura da

base granular=== as pressões sobre o subleito reduzem com o

aumento da espessura da base

Bacias de deflexão segundo a espessura da base:

Para se aplicar o cálculo de tensões e deformações para um

dimensionamento apropriado do reforço do pavimento, é necessário se

conhecer a rigidez de todas as camadas do pavimento e do subleito.

===Como a maioria dos pavimentos, em uso, foi dimensionado pelo

método do CBR (ou ISC), não se conhece a princípio essa

característica dos materiais em cada trecho.

Mesmo se conhecendo os valores dos módulos de resiliência da época do

projeto e construção, eles tendem a ser variáveis com o tempo e o uso e, em

alguns casos, pelo clima.

Noções de Retroanálise:

Método que permite inferir os módulos de elasticidade das camadas do pavimento e do subleito por interpretação das bacias de deformação – A retroanálise.

===Usa-se o termo módulo de elasticidade por ser nesse caso um parâmetro retrocalculado e não determinado em laboratório por meio do ensaio de carga repetida, como é o caso do módulo de resiliência.

Noções de Retroanálise:

Os valores de módulos de resiliência (MR) obtidos em laboratório refletem uma condição de preparação do material e de aplicações de carga, diferentes das condições normais observadas em pista

===MR medidos por meio de amostras recolhidas de pista poderiam, em certos casos, melhor expressar suas reais características e com maior precisão seus parâmetros elásticos

Exemplo: Caso de uma brita graduada compactada, em laboratório, por soquetes e aquele de uma mesma brita graduada compactada, em pista, por meio de rolos vibratórios, nas quais são presentes o confinamento e as tensões residuais de compactação

RETROANÁLISE DE MÓDULOS DE RESILIÊNCIA COM A

TSCE:

Para projetos de restauração de pavimentos, por exemplo, é difícil obter o MR que os materiais apresentam em pista

===Os materiais granulares sofreram degradação por erosão e bombeamento de finos

===Os materiais cimentados, quando menos resistentes, sofreram fissuração intensa por fadiga, originando um conjunto de blocos e peças que podem estar trabalhando de forma independente

Nestes casos torna-se equivocada a prática de se estimar o MR dos materiais em laboratório, mesmo com amostras retiradas de pista, já que tais amostras não refletem o comportamento conjunto de todas as peças que compõem uma camada


TSCE:

Recursos em que são testados, analiticamente, valores de

módulo de elasticidade das camadas do pavimento de

maneira que, também, analiticamente, as respostas das

deflexões simuladas se aproximem o máximo possível das

medidas de deflexões medidas em campo para uma

condição de carregamento conhecida

Balbo, 2007

RETROANÁLISE:

Como proceder em tal situação, se deseja-se empregar a TSCE para uma análise do pavimento existente para finalidades de verificação de esforços em camadas de reforço estrutural em CAUQ?

=== A maneira mais simples de avaliação da capacidade mecânica da estrutura de um pavimento, em função das cargas aplicadas, é a medida de deflexões por meio de instrumento adequado (viga de Benkelman ou FWD)

A deformação da superfície do pavimento sob a ação da carga do tráfego, a bacia de

deflexão, é determinada com uma simples prova de carga sobre o pavimento

existente com uma das duas técnicas de medidas de deflexão citadas


TSCE:

A carga atuante sobre o pavimento cria um campo de tensões ou

pressões na estrutura do pavimento

Nas proximidades do ponto de aplicação da carga, todas as

camadas, em todos os seus pontos, da superfície a um ponto limite

em profundidade no subleito, deforma-se e, portanto, deslocam-se

À medida que se afasta da carga, há inúmeros pontos na superfície

que se deslocam, porém praticamente não se deformam, dada a

distância da carga


TSCE:

Fonte: Balbo, 2007

Abaixo desses pontos mais superficiais que não se deformam

(embora se desloquem verticalmente) há pontos das camadas que

ainda se encontram sob o efeito do bulbo de pressões, do campo de

tensões impostos pela carga

Quanto mais se afasta da carga, há mais pontos, da superfície para o

fundo, que não se deformam, porém ainda se deslocam, pois há

camadas materiais e camadas se deslocando abaixo destes

A determinadas distâncias, existem condições nas quais o campo de

tensões não afeta a primeira camada===os deslocamentos verticais

(deflexões) na superfície são consequência apenas das deformações

sofridas pelas demais camadas do pavimento

Quanto mais se afasta, menos as camadas mais superiores contribuem

nas deflexões de superfície === não se deformam


TSCE:

BACIAS DE DEFLEXÃO MEDIDAS A VÁRIOS

PONTOS DE APLICAÇÃO DA CARGA

A retroanálise consiste na representação teórica da bacia

de deflexões obtida em campo

Admitem-se conhecidas as espessuras das camadas do pavimento

em análise=== é bastante simples a determinação dessas alturas em

campo=== abertura de poços de inspeção

A abertura de poços de inspeção permite a verificação da existência

de contaminação em bases granulares

A avaliação de defeitos na superfície do pavimento permite detectar

a ocorrência de fadiga em revestimentos e em bases cimentadas

(fissuras de reflexão em blocos) === fundamental para uma pré-

determinação das faixas de módulos de elasticidade dessas

camadas em pista

Devem ser conhecidas a carga aplicada sobre rodas (eixo-padrão de

80 kN) e a pressão dos pneumáticos durante os testes


TSCE:

Obtidos todos os dados em campo === espessuras e condições de

camadas e deflexões para várias distâncias a partir do ponto de

aplicação da carga

O engenheiro precisa conseguir responder as seguintes questões a

fim de estimar as faixas de valores de Módulo de Elasticidade de cada

material das camadas do pavimento:

O revestimento asfáltico encontra-se íntegro ou fissurado?

A base está contaminada? E a sub-base? A base já sofreu fadiga?

Qual é o tipo de subleito, laterítico ou saprolítico?

Quanto ao programa para TSCE em uso, o engenheiro deverá ter

conhecimento prévio de seu funcionamento, bem como boa

sensibilidade quanto de como o programa responde às deflexões em

função das variações nos parâmetros elásticos

PROCESSO DE RETROANÁLISE MANUAL:

O avaliador impõe os valores de partidas para os módulos de

elasticidades das camadas, simulando o programa e analisando a

saída dos dados referentes às deflexões teóricas===para as mesmas

coordenadas de avaliação em pista

Compara os resultados teóricos com aqueles obtidos em campo

(deflexões)

Com base nessa comparação, em um processo de tentativa e erro,

por aproximação dos valores dos módulos, a análise permite que se

aproxime cada vez mais dos valores de deflexões obtidos em pista

O critério de parada das interações é definido pelo engenheiro que

realiza as análises===em geral não se tolerando mais de 10% de

variação entre cada deflexão para cada coordenada de medida

PROCESSO DE RETROANÁLISE MANUAL:

A sistemática de retroanálise se justifica por permitir:

• inferir os módulos de elasticidade “E” nas condições de campo;

• eliminar ou minimizar coleta de amostras;

• caracterizar com rapidez as camadas em termos de elasticidade;

• verificar a condição estrutural de cada camada e subleito.

As desvantagens de obtenção dos módulos de elasticidade por retroanálise são:

• a sensibilidade do cálculo dos valores dos módulos de elasticidade aos valores das bacias deflectométricas que possuem uma imprecisão inerente aos levantamentos de campo;

• a confiabilidade dos instrumentos e dos procedimentos operacionais de medição das deflexões deve ser continuamente verificada;

As desvantagens de obtenção dos módulos de elasticidade por retroanálise são:

os módulos de elasticidade retroanalisados não representam necessariamente os módulos reais dos materiais das camadas e sim “módulos equivalentes” (igualdade depende de diversos fatores, como por exemplo número de camadas, grau de trincamento, homogeneidade de material e regularidade de espessura);

• o conjunto de módulos retroanalisados não é único, depende do programa utilizado para obtê-los, das hipóteses simplificadoras, dos níveis de ajustes atingidos etc.

Tela do programa RETRAN2CL (Albernaz,1997) onde é possível

observar o ajuste entre a bacia medida e a calculada e os

módulos retroanalisados do pavimento e do subleito.

RETROANÁLISE – CASO DE UM PAVIMENTO

FLEXÍVEL RECÉM-CONSTRUÍDO:

RODOVIA DE BAIXO VOLUME DE TRÁFEGO:

REVESTIMENTO EM CAUQ = 40MM

BASE EM BGS = 150MM

SUBLEITO ARGILOSO NÃO LATERÍTICO (NG’)

===AS MEDIDAS DE CAMPO FORAM REALIZADAS

COM VIGA BENKELMAN E ESRD COM 80KN

RETROANÁLISES DOS MÓDULOS DE RESILIÊNCIA

DAS CAMADAS EM PAVIMENTO FLEXÍVEL NOVO

RETROANÁLISE – DIFERENTES CONDIÇÕES DE BASES

CIMENTADAS COM BGTC EM RODOVIA:

VALORES DE DEFLEXÕES E MÓDULOS DE RESILIÊNCIA

RETROANÁLISADOS SÃO BASTANTES ÚTEIS PARA SE

DIFERENCIAREM PAVIMENTOS APARENTEMENTE IDÊNTICOS

EM UMA MESMA RODOVIA



PARA ESSA ANÁLISE, O PROBLEMA FOI TRATADO COMO UM

PAVIMENTO DE TRÊS CAMADAS:

REVESTIMENTO EM CAUQ = 170MM

BASE EM BGTC = 160MM

SUBLEITO EM SOLO RESIDUAL DE QUARTZITO

===A PARTIR DOS RESULTADOS É EVIDENTE QUE, NA FAIXA DA

DIREITA, POR ONDE TRAFEGAM AS CARGAS PESADAS, HÁ

COMPLETA ESTADO DE FALÊNCIA DA BGTC

NA FAIXA DA ESQUERDA, A BGTC APRESENTA MÓDULOS DE

ELASTICIDADE AINDA RAZOÁVEIS PARA UM MATERIAL

CIMENTADO



Na pista da direita, a camada de base apresenta características de

pavimento flexível e não de semirrígido convencional

A perda de rigidez implica maiores esforços no subleito

Com esses valores é possível avaliar a capacidade estrutural do pavimento e calcular a eventual espessura de reforço necessária para o trecho avaliado

A retroanálise não serve somente para avaliação estrutural e projeto de reforço, já tendo sido usada para o desenvolvimento de método de dimensionamento de pavimentos novos de vias de baixo volume de tráfego

Os dados da retroanálise podem contribuir para a elaboração de projetos mais confiáveis, para pavimentos mais duráveis, representando um ganho de tempo nos projetos e minimizando a coleta de amostras.

A retroanálise é o procedimento de projeto de reforço que mais evolui no momento no mundo.

REFERÊNCIAS

BIBLIOGRÁFICAS:

Balbo, J. T. Pavimentação Asfáltica: materiais, projeto e

restauração. Oficina de Textos, São Paulo, 2007.

Bernucci, L. B et al. Pavimentação Asfáltica: Formação Básica para

Engenheiros – Rio de Janeiro: PETROBRAS: ABEDA, 2006

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