dimensionamento de pavimentos asfÁlticos · as equações de dimensionamento do método da aashto...
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DIMENSIONAMENTO DE
PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
Universidade do Estado de Santa Catarina
Pós-Graduação em Engenharia Civil – Mestrado Acadêmico
Profa. Adriana Goulart dos Santos
DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS
ASFÁLTICOS
Dimensionar um pavimento significa determinar a
espessura das camadas e tipos de materiais que a serem
utilizados na sua construção
De modo a conceber uma estrutura capaz de suportar um
volume de tráfego preestabelecido, nas condições
climáticas locais
A fim de oferecer um desempenho desejável para as suas
funções
No passado inúmeros métodos de dimensionamento de
pavimentos foram elaborados
Intuito de oferecer aos engenheiros um instrumento
simples de cálculo e que pudessem se aplicados em
várias situações de projeto
A existência de métodos de dimensionamento distintos
pode ser atribuído às condições ambientais, geológicas,
pedológicas e de tráfego, além de diferentes opiniões
entre técnicos
A principal razão é a inexistência de uma descrição
unânime e precisa de como ocorre a ruptura de uma
estrutura de pavimento
Pode-se citar como diferença fundamental entre muitos
métodos a utilização de critérios distintos de ruptura de
estruturas de pavimentos
São três tipos básicos de ruptura que permeiam os
critérios de dimensionamento:
Ruptura na qual se verifica que a estrutura do
pavimento não mais suporta as cargas aplicadas e
apresenta excessiva deformação plástica ===ruptura
plástica e estrutural
A ruptura estrutural mais explícita em muitos métodos é a
ruptura por FADIGA
Quando o pavimento não serve mais usuário, em
termos de conforto e segurança ao rolamento
===ruptura de natureza funcional ou operacional
No decorrer dos anos, observaram-se muitas mudanças e
avanços nos métodos de dimensionamento de
pavimentos asfálticos
Atualmente, pode-se afirmar que pavimentos se rompem por
diversos fatores
Entre as causas mais associadas à repetição de cargas
sobre a estrutura de pavimento, destacam-se:
A fadiga é o principal responsável pelo trincamento de
revestimentos betuminosos e de bases cimentadas;
O acúmulo de deformações plásticas (permanentes)
pela ação das deformações cisalhantes que ocorrem em
camadas de misturas asfálticas, em materiais
granulares e nos solos do subleito
Os métodos de projeto de pavimentos foram concebidos
de duas maneiras distintas:
Com base no desempenho observado no decorrer do
tempo, obtidos pelas experiências de campo===
modelos empíricos
Ou a partir de teoria elástica considerada adequada
para a interpretação de fenômenos físicos
quantificados em campo=== modelos semiempíricos e
semiteóricos
Aqueles obtidos a partir da observação da evolução do estado de condição dos pavimentos
===Sendo os parâmetros medidos em campo tabulados periodicamente e associados a grandezas como a repetição de cargas e a resistência de materiais
Sua expressão mais intensa é o método da American Association of State Highway and Transportation Officials (1993), oriundo da AASHTO Road Test
MODELOS EMPÍRICOS:
Os critérios empíricos apresenta limitação de seu campo de aplicação, uma vez que
sua reprodutibilidade se restringe à áreas que possuem condições semelhantes
daquela área que serviu para a experimentação observacional
Aqueles gerados de extrapolações teóricas e racionais de modelo observacional obtido pelo acúmulo de dados e experiências
===Exemplo mais importante: Parametrização das estruturas de pavimentos por meio dos valores de California Bearing Ratio (CBR) de suas camadas
O critério de CBR é amplamente empregado por agências federais, estaduais e municipais do Brasil
MODELOS SEMIEMPÍRICOS:
Aqueles procuram avaliar o comportamento estrutural de sistemas de camadas como pavimentos
=== A parametrização dos materiais é realizada por meio do conhecimento empírico, laboratorial ou de pista, em termos de características mecânicas de materiais que comporão a estrutura do pavimento
Trata-se do esquema mais promissor de evolução dos critérios de projeto
MODELOS SEMITEÓRICOS OU EMPÍRICO-MECANICISTAS
É o único a permitir que, futuramente, aspectos relacionados à progressão de fratura
dos materiais sejam absorvidos
DE MODO GERAL NÃO SE PODE AFIRMAR QUE UM
CRITÉRIO SEJA ABSOLUTAMENTE VÁLIDO, OU
COMPLETAMENTE SATISFATÓRIO
Cada critério apresenta vantagens e desvantagens
inerentes à consideração de parâmetros físicos e
numéricos, bem como seu campo de aplicação
Resumindo:
Fonte: Balbo, 2007
BREVE HISTÓRICO DO DESENVOLVIMENTO DO
CRITÉRIO DO CBR
O critério do CBR é atribuído ao engenheiro O. J. Porter do California
Division of Highways (CDH)
É o primeiro método de dimensionamento de pavimentos flexíveis
criado com bases estritamente empíricas == com considerável número
de avaliações experimentais e laboratoriais
O critério básico de ruptura adotado é o por cisalhamento
do subleito e camadas granulares
Causariam o aparecimento de sulcos nas trilhas de
rodas (deformações permanentes)
Ainda nos últimos anos o método do CBR é utilizado em
diversos métodos variantes para o dimensionamento de
pavimentos flexíveis
Como é o caso do
Método do extinto DNER (atual DNIT)
Usado como critério normativo oficial para projetos de pavimentos
asfálticos
O ensaio de CBR foi adotado pelo CDH no final da década de 20,
quando inúmeros testes experimentais, em pistas e laboratórios,
foram realizados com o objetivo de se fazer previsões sobre o
desempenho dos diversos materiais utilizados em pavimentação
Tendo em vista o valor de CBR desse solo de subleito
Os experimentos realizados permitiram quantificar,
também, as espessuras de materiais mais nobres a serem
colocados sobre o subleito
Para que ficasse protegido contra os efeitos de
deformações plásticas excessivas sob a ação de cargas de
tráfego
Primeira curva (B) de dimensionamento de espessura de
pavimentos flexíveis
Representativa para o tráfego composto de pequenos caminhões com
eixo carregado de 7.000 libras ( cerca de 30kN)
É considerada o primeiro modelo de projeto de espessura de
pavimentos, pois limitava sob si as combinações do CBR do solo do
subleito com espessuras de base em brita graduada que não
resistiram à ação dos veículos
Fonte: Balbo, 2007
A curva B trata-se de uma relação empírica entre o CBR do subleito e a espessura de material granular sobre este (separando combinações que haviam funcionado ou não nas rodovias californianas nessa época)
Os pontos abaixo da curva B indicam pavimentos que apresentaram ruptura (por deformações plásticas) durante os experimentos
Os pontos acima da curva B apresentaram desempenho satisfatório
Com a chegada do engenheiro Hveem à chefia do CDH, o critério do
CBR foi engavetado, reaparecendo em início da década de 40.
A EXPANSÃO DOS AEROPORTOS NA SEGUNDA
GUERRA MUNDIAL (1942)
A consolidação do critério de CBR como método de projeto de
pavimentos flexíveis foi a partir da necessidade da construção de
aeroportos militares durante a Segunda Guerra Mundial
A retomada dos estudos, ainda de forma empírica, foi feita pelo United
States Army Corp of Engineers (Usace), cujos resultados datam de
1942
Curva A – representativa para cargas
de 12.000 libras de trens de pouso
individuais de aeronaves pesada
Fonte: Balbo, 2007
O EQUACIONAMENTO ESPESSURA X CBR
Em 1956, o USACE apresentou a primeira equação de
dimensionamento de espessuras de pavimento em função do valor de
CBR da camada inferior, que correlaciona a espessura necessária do
material sobre o subleito
Levando em conta:
•O CBR do solo de fundação
•A carga de roda e a pressão de contato
Fonte: Balbo, 2007
A equação somente será válida para valores de CBR não superiores a 12%:
t= espessura de material granular sobre o subleito;
p= carga de roda simples equivalente;
pe= pressão de contato.
Essa equação dimensiona uma espessura tal que a camada
subjacente fica protegida contra rupturas plásticas por
cisalhamentos
Este é o conceito implícito no modelo de cálculo
fundamentado no CBR da camada inferior
Fonte: Balbo, 2007
Modelo espessura X CBR para ESDR de 80kN, nos padrões do USACE:
Com o aumento do valor de
CBR, é reduzida a espessura de
material granular sobre o subleito
para sua proteção contra ruptura
por cisalhamento ou
deformações plásticas excessivas
O método do DNER (Souza, 1981) é uma variante do critério do CBR,
simulando os efeitos de repetições de carga de um eixo padrão de
18.000 libras (80kN)
Foi concebido pelo professor Murilo Lopes de Souza, do IME-RJ, em
meados de 1960, com última edição em 1981.
Método do Extinto Departamento Nacional de Estradas e
Rodagem
Ábaco para dimensionamento de pavimentos flexíveis do DNER. Fonte Souza (1981) apud Balbo (2007)
Fonte: Balbo, 2007
Definidos os valores de CBR do subleito e da camada de reforço de subleito (caso venha a ser utilizada), o dimensionamento é realizado com base no ábaco
Para as camadas de base e sub-base, são exigidos valores mínimos de CBR, respectivamente, iguais a 80% e 20%
As curvas de dimensionamento apresentadas no ábaco podem ser consolidadas em uma única expressão obtida por regressão linear múltipla:
Princípio de solução das espessuras das camadas com
base no valor de CBR
Fonte: Balbo, 2007
Kr, Kb, Ks e Kn == coeficientes de equivalência estrutural dos materiais de
revestimento, base, sub-base e reforço de subleito
Os valores das espessuras das camadas são:
R = revestimento;
B = base;
h20= sub-base;
hn= reforço de subleito.
Coeficientes de equivalência estrutural dos materiais:
Fonte: Souza (1981) apud Balbo (2007)
As espessuras H20, Hn e Hm, respectivamente, espessuras equivalentes
(em termos de pedra britada graduada) sobre a sub-base, reforço do subleito
e o subleito
São determinadas em função do CBR dessas camadas (a de sub-base tem
sempre seu CBR fixado em 20%) e do número de repetições de carga do
eixo equivalente
A espessura da camada de revestimento asfáltico é determinada em função
do número N (nível de tráfego do projeto)
Tendo base na experiência de campo e nos valores recomendados na
AASHTO Road Test,
Espessuras mínimas de revestimentos asfálticos
Fonte: Balbo, 2007
O método do extinto DNER, tendo em vista fundamentar-se
no critério do CBR
Acúmulo de deformações plásticas causado pelos
esforços de cisalhamento que ocorrem no subleito e nas
demais camadas granulares ao longo do período de projeto
Aspectos relacionados à fadiga de misturas asfálticas e
de bases cimentadas não são levados em consideração
Apresenta como modo de ruptura
Fica claro que trata-se de critério semiempírico
Condições e restrições gerais para o dimensionamento do pavimento:
Método da AASHTO (Versões de 1986 e 1993) – Visão Geral
O método de dimensionamento de pavimentos flexíveis da AASHTO (1993) fundamenta-se na análise estatística dos resultados obtidos da pista experimental da AASHTO
A pista foi planejada a partir de 1951, e construída entre agosto de 1956 e setembro de 1958
Monitorada sob o tráfego entre outubro de 1958 a novembro de 1960, em Ottawa, no estado de Illinois (EUA)
Durante a AASHTO Road Test, foram avaliados os efeitos de carga do tráfego, o que por meio de fatores de equivalência estrutural definidos ao final dos experimentos===estabelecimento de relação entre a repetição de cargas (80KN, eixo-padrão) com as espessuras das camadas e a perda de qualidade de rolamento em termos de valores de serventia
Método da AASHTO (Versões de 1986 e 1993) – Visão Geral
Entre os diversos resultados obtidos das pesquisas
Estabelecimento de um modo de quantificar a condição de ruptura de um pavimento baseado na:
Opinião subjetiva dos usuários
Mensuração objetiva de determinados defeitos dos pavimentos
Este modo de avaliação da condição de ruptura consiste na aferição da condição de serventia do pavimento
A serventia pode ser definida como uma medida de quão o pavimento bem um
pavimento, em dado instante, serve ao tráfego, com conforto e segurança ao
rolamento
Método da AASHTO (Versões de 1986 e 1993) – Visão Geral
As equações de dimensionamento do método da AASHTO estão baseadas no binômio serventia-desempenho
A equação que relaciona o tráfego (número N), a serventia e as espessuras das camadas para descrever o desempenho de dado pavimento no tempo, para pavimentos flexíveis, é:
A equação foi determinada para testes que compreenderam, em cada seção, 1.114.000 aplicações de carga não equivalentes;
Todas as seções que atingiam o valor de serventia igual a 1,5 eram imediatamente recapeadas (reforçadas) com novo CAUQ antes da continuação dos testes.
Método da AASHTO (Versões de 1986 e 1993) – Visão Geral
Conhecidos o número de repetições de carga do eixo-
padrão ao longo do horizonte de projeto, o nível de
confiança de projeto e as condições de suporte do subleito
Determinação do número estrutural (SN) que deverá possuir o pavimento
Perda de serventia em função do módulo de resiliente
do subleito (SN=4)
Perda de serventia em função do número estrutural
(Mr=100MPa)
Fonte: Balbo, 2007
Coeficientes de equivalência estrutural
O coeficiente de equivalência estrutural de uma camada,
expressa:
Uma relação empírica entre o número estrutural (SN) e a
espessura da própria camada
Uma medida da capacidade relativa do material para
atuar como componente estrutural de dado pavimento,
dissipando pressões sobre as camadas inferiores
A AASHTO apresenta diversas formas para a obtenção
desse coeficiente por meio de correlações com outras
propriedades mecânicas de materiais (CBR, Mr, etc)
Coeficientes de equivalência estrutural dos materiais:
Fonte: AASHTO, 1993 apud Balbo, 2007
Espessuras mínimas para as camadas:
A AASHTO sugere os valores mínimos para as espessuras
das camadas, como ponto de partida para a solução:
Fonte: AASHTO, 1993 apud Balbo, 2007
Determinação das espessuras das camadas:
As espessuras das camadas são determinadas pelos
seguintes passos:
a) Determinação dos números estruturais necessários
sobre o subleito (SN3), sobre a sub-base (SN2) e sobre a
base (SN1)
Para isso, deverá ser utilizada a equação de
dimensionamento do método
• O cálculo dos números estruturais necessários sobre o
subleito, a sub-base e a base é realizada com a utilização
do Mr representativo de cada uma dessas camadas
Determinação das espessuras das camadas:
b) A espessura do revestimento é calculado pela
expressão:
𝑫𝟏 =𝑺𝑵𝟏
𝒂𝟏
c) A espessura da base é calculada pela expressão:
𝑫𝟐 =𝑺𝑵𝟐 − 𝑺𝑵𝟏
𝒂𝟐 ∗ 𝒎𝟐
d) A espessura da sub-base é calculada pela expressão:
𝑫𝟑 =𝑺𝑵𝟑 − 𝑺𝑵𝟐
𝒂𝟑 ∗ 𝒎𝟑
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
Balbo, J. T. Pavimentação Asfáltica: materiais, projeto e
restauração. Oficina de Textos, São Paulo, 2007.
Sória, M.H.A. Projeto de Pavimentos. Universidade de São Paulo,
Escola de Engenharia de São Carlos, Departamento de Transportes,
São Carlos-SP, 1987.