Avaliação das estruturas com auxílio da ferramenta AEMC

Como etapa inicial da tentativa de adequação mecanicista à previsão de evolução da irregularidade longitudinal, as estruturas dos pavimentos monitorados em Santa Maria/RS e no Rio de Janeiro/RJ tiveram seu desempenho avaliado com a utilização da ferramenta AEMC (Análise Elástica de Múltiplas Camadas), versão 2.0.0.0, responsável pela rotina de cálculos de esforços integrada ao programa MeDiNa.

Concebido inicialmente na tese de doutorado de Franco (2007), com a nomenclatura de “SisPav”, o sistema MeDiNa traz como proposta substituir o atual método de dimensionamento nacional (DNER, 1981) por uma rotina empírico- mecanicista de análise das estruturas de pavimentos. De acordo com Fritzen (2016), o método vem sendo implantado em dois níveis, diferidos pela forma de caracterização das misturas asfálticas.

No nível A, considera-se o revestimento asfáltico como um material elástico, representado por parâmetros fornecidos pelo ensaio de módulo de resiliência (DNIT- ME 135/2010) e fadiga por compressão diametral de carga repetida (DNIT-ME 183/2018). No nível B, ainda sem versões disponíveis para testes, o revestimento asfáltico será considerado como um material viscoelástico, caracterizado pelos ensaios mecânicos de módulo complexo (AASHTO T 342/2011) e uniaxial cíclico de fadiga à tração-compressão (AASHTO TP 107/2014).

Neste estudo, as estruturas foram avaliadas unicamente dentro da ferramenta AEMC, definida por Franco (2007) como um programa específico para o cálculo de tensões, deformações e deslocamentos, com rotinas para entrada de dados e apresentação dos resultados. Segundo o autor, o AEMC faz uso da teoria elástica de multicamadas de Burmister, desenvolvida em 1943, em sua sistemática de cálculo baseada no programa JULEA e validada com o software BISAR.

Em vista disso, vale salientar que os modelos desenvolvidos neste estudo, com uso do AEMC, expostos posteriormente no item 4.3.3, não são passíveis de utilização no nível A do MeDiNa, uma vez que o programa citado trabalha com a quantificação dos danos médios acumulados a partir de curvas de fadiga obtidas com procedimentos experimentais distintos daqueles utilizados na presente pesquisa. No item 5.2, relativo às sugestões para trabalhos futuros à título de complementação deste trabalho, propõem-se uma rotina de adequação dos modelos desenvolvidos neste tese para utilização no MeDiNa nível A, compilando informações descritas no item 4 com os resultados obtidos por Fritzen (2016), referentes aos ensaios de fadiga de misturas asfálticas avaliadas por testes em compressão diametral de carga repetida (DNIT-ME 183/2018).

Dando continuidade ao procedimento metodológico empregado no presente trabalho, a rotina de utilização do AEMC é relativamente simples e direta. A interface solicita ao usuário as informações referentes à estrutura do pavimento avaliado (espessuras e rigidez das camadas), condições de aderência nas interfaces e o tipo

de carregamento transmitido pelo tráfego. A Figura 3.26 ilustra a interface do programa.

Figura 3.26 – Interface da ferramenta AEMC do programa MeDiNa

Fonte: Autor

Os dados relativos às espessuras das camadas que compõem os pavimentos dos trechos monitorados foram utilizados conforme exposto na descrição realizada no item 3.2. O carregamento atuante foi considerado somente pelo eixo padrão rodoviário, configurado pelo Eixo Simples de Rodas Duplas, com 80kN e pneumáticos inflados a 0,56MPa (80psi).

As informações referentes à rigidez dos materiais que compõem as camadas foram obtidas mediante procedimento de retroanálise de módulos de resiliência pelas bacias deflectométricas coletadas com o FWD, conforme descrito no item 3.3.5 (exceção feita para a camada asfáltica mais recente, cujo valor de rigidez utilizado vem da curva mestra da mistura em análise durante o ensaio de módulo complexo, na frequência de10 Hz e temperatura de 25°C). Nesta etapa, conforme mencionado no item 3.3.4, as interfaces entre camadas aglutinadas foram consideradas

perfeitamente aderidas; já as transições entre materiais aglutinados e granulares ou entre materiais granulares entre si foram considerados sem nenhuma aderência.

Os pontos de análise dos esforços atuantes na estrutura foram escolhidos conforme critério definido por Nascimento (2015), que delimita uma malha de 110 pontos, com 10 pontos distribuídos igualmente na direção transversal do fluxo de veículos, partindo do centro de aplicação de carga (eixo = 0cm) até 32,85cm. Na direção vertical em relação à superfície da pista, 11 pontos são distribuídos igualmente desde a superfície até a última fibra do revestimento asfáltico. A Figura 3.27 ilustra a orientação dos pontos de análise no revestimento asfáltico.

Figura 3.27 – Delimitação dos pontos de análise no revestimento asfáltico

Fonte: Adaptado de Nascimento (2015)

Vale ressaltar também que, nas versões mais recentes do MeDiNa, os 110 pontos de análise na camada asfáltica foram reduzidos para apenas 20 pontos. Nesta nova metodologia, são selecionados 10 pontos na superfície e 10 pontos na fibra inferior da camada asfáltica para as análises referentes ao trincamento por fadiga. Na nova calibração, já verificada, validada e contemplada pelo método entregue ao IRP/DNIT (Franco e Motta, 2018), os resultados apontam uma melhor abordagem para utilização do dano livre acarretado por uma passagem de carga, ao

invés do dano limitado acumulado, visando atribuir uma conexão direta entre dano e área trincada, por meio de um fator de deslocamento.

Ao dano livre, cabe interpretação análoga àquela referente ao dano limitado acumulado, exposta posteriormente na Equação (3.3); todavia, para o cálculo do dano livre, os valores são atribuídos de maneira absoluta, não sendo limitados a unidade total (1,0).

Entretanto, devido ao escopo deste trabalho reunir a base de dados obtida no estudo de Nascimento (2015), optou-se pela manutenção da malha de 110 pontos distribuídos na camada asfáltica, já que o autor baseia suas conclusões no dano médio limitado acumulado.

Dentre os esforços calculados ao longo da malha de pontos analisada, foram selecionados, no AEMC, os dados presentes na coluna “e3 (m/m)”, representativa da deformação principal de tração, comumente abreviada por “εt”.

Estas deformações foram aplicadas na Equação (3.2), que busca determinar o valor de solicitações admissíveis à fadiga (Nfad) compilando os resultados laboratoriais de avaliação à fadiga e os esforços calculados com a ferramenta computacional.

( )

(3.2)

Em que:

εt: deformação principal de tração (m/m);

E: rigidez oriunda da curva mestra da mistura durante o ensaio de módulo complexo, na frequência de 10 Hz e temperatura de 25°C (kPa);

k1, k2 e k3:constantes calibradas com a curva GR vs Nfad.

As constantes k1, k2 e k3 são referentes à caracterização das misturas asfálticas desenvolvidas ao longo do trabalho de Nascimento (2015), para os trechos do Rio de Janeiro/RJ, mediante realização do ensaio uniaxial de fadiga à tração compressão, seguido pelo protocolo de análise da modelagem viscoelástica de dano contínuo (S-VECD), no critério de falha 𝐺𝑅_{. Recomenda-se que, para o entendimento} aprofundado da modelagem viscoelástica de dano contínuo, com base nos resultados do ensaio uniaxial cíclico de fadiga à tração-compressão, busque-se

acesso aos trabalhos de Nascimento (2015), Schuster (2018) e Boeira (2018). As misturas dos trechos monitorados em Santa Maria/RS também foram submetidas ao mesmo ensaio no CENPES, com exceção do revestimento asfáltico da ERS-509, cujo comportamento a fadiga foi determinado por Schuster (2018), no GEPPASV/UFSM.

A estocagem e envio dos materiais de Santa Maria/RS para realização dos ensaios no CENPES foi realizada mediante separação dos agregados minerais em frações, possibilitando assim reproduzir o traço aplicado em campo. A Figura 3.28 exibe o peneirador mecânico utilizado para separação do material e os tonéis com os agregados minerais e ligantes asfálticos prontos para envio.

Figura 3.28 – Separação de materiais para envio ao Rio de Janeiro

Fonte: Autor

Salienta-se que a opção por enviar os materiais ocorreu pela incapacidade física do LMCC/GEPPASV em realizar o ensaio uniaxial cíclico de fadiga à tração- compressão à época em que os trechos monitorados nas Avenidas Roraima, Hélvio Basso e BR-158 foram implantados. Após a operacionalização do equipamento de ensaio no decorrer do trabalho de Boeira (2018), tornou-se possível à caracterização completa à fadiga das misturas asfálticas dentro da UFSM.

Por fim, os resultados de Nfad atrelados aos tráfegos acumulados, quantificados nos trechos por meio de contagens presencias, foram utilizados para calcular o dano médio limitado acumulado à fadiga, esperado para a estrutura de pavimento ao longo do tempo.

Conforme detalhadamente explicado por Nascimento (2015), este dano é obtido pela relação entre N e Nfad, pela Hipótese de Miner, como expresso na Equação (3.3). Caso o dano seja zero, o elemento analisado não apresenta degradação, por outro lado, um dano de valor unitário indica que o elemento chegou à falha. Quando calculado para cada nó da malha de 110 pontos adotada, pode-se obter, a partir do dano unitário, o dano médio sofrido pelo pavimento ao longo do tempo.

(3.3)

Em que:

Du: Dano unitário à fadiga;

Ni: Tráfego total até o i-ésimo período de tempo; Nfad: Valor de solicitações admissíveis à fadiga.

Cabe, neste momento, uma ressalva em relação à nomenclatura utilizada no trabalho. A utilização da expressão “danos calculados com o AEMC” não indica literalmente que a ferramenta de análise elástica de múltiplas camadas, componente do programa MeDiNa, é capaz de realizar todo o procedimento de obtenção dos danos de forma independente. Sua utilização, neste trabalho, restringe-se à obtenção das deformações principais de tração, sendo os demais procedimentos de cálculo realizados de forma independente, com o uso de planilhas eletrônicas.

Até então, o estudo do dano tem sido empregado para avaliação do desempenho à fadiga. No trabalho de Nascimento (2015), o autor correlacionou o dano médio obtido através do software LVECD (Layered Viscoelastic Analysis for

Critical Distresses) com o percentual de área trincada do pavimento. Assim, através

da evolução do dano, é possível obter a evolução da área trincada, comumente utilizada como critério de avaliação da fadiga.

Todavia, vale ressaltar que, neste trabalho, busca-se adicionar ao modelo de previsão de irregularidade longitudinal os danos médios limitados calculados de forma mecanicista, mediante simulação numérica do comportamento da estrutura quando submetida ao tráfego atuante. O intuito não é aprofundar os resultados dos ensaios uniaxiais de fadiga à tração compressão e módulo complexo, mediante

aplicação do protocolo de análise S-VECD. Para melhor entendimento destas ações, recomenda-se acesso aos trabalhos de Nascimento (2015), Schuster (2018) e Boeira (2018).