Avaliação estrutural por ensaios não-destrutivos

(2.4) (2.5) (2.6) Sendo:

N – número de repetições de carga necessárias à ruptura do corpo-de-prova, vida de fadiga;

σt – tensão de tração aplicada;

εt – deformação de tração aplicada;

∆σ – diferença entre as tensões horizontal e vertical;

Ki, ni – parâmetros experimentais determinados a partir dos resultados do

ensaio.

σt - resistência à tração aos 28 dias de idade.

As técnicas de medidas de deflexões em pavimentos com equipamentos deflectométricos são amplamente utilizadas para avaliação estrutural e retroanálise. O baixo custo, menor interrupção do tráfego e menores danos ao pavimento as tornam preferenciais em relação às destrutivas, tal fato não minimiza a importância dos métodos destrutivos, sendo em muitos casos completamente necessários.

Historicamente, o registro mais antigo de medida de deflexão em pavimentos deve- se a Hveem, sensores foram instalados em rodovias do Estado da Califórnia (EUA) por volta de 1938, porém, estudos mais complexos iniciaram-se nos princípios da década de 50 (PEREIRA, 2007).

Segundo Mâcedo (1996), Witczak (1989) descreve o histórico dos ensaios deflectométricos distinguindo três fases nesta evolução, estas fases, embora não sejam excludentes, são úteis a diferentes níveis de exigência do projeto de engenharia. O reconhecimento desta realidade, segundo o autor, é de suma importância para o reconhecimento das limitações inerentes ao estado da arte de cada fase evitando, dessa forma, interpretações errôneas sobre o comportamento dos pavimentos em situações específicas onde se torna obrigatório o uso de tecnologias limitadas. Estas fases de acordo com a referência citada são:

Fase 1 – Relação deflexão máxima x vida dos pavimentos - Nesta fase,

media se apenas a deflexão máxima sob condições de cargas conhecidas e através de um critério de ruptura empírico (usualmente deduzido a partir de observações de comportamento de pavimentos flexíveis convencionais) se estimava a vida restante do mesmo.

Fase 2 – Curvas múltiplas de deflexão x vida dos pavimentos – Nesta

fase reconheceu-se que, embora a deflexão máxima sob a ação de uma determinada carga representasse as condições estruturais de um pavimento, em muitos casos esse parâmetro não conseguia explicar de “per si” o comportamento estrutural global. Tornou-se, portanto necessário definir outros parâmetros, que em conjunto com a deflexão máxima fornecessem informações relacionadas ao estado do pavimento. Como característica desta

a) o reconhecimento de que os pavimentos rompem-se por mais de

um mecanismo de ruptura: a fadiga dos revestimentos asfálticos e deformações plásticas do subleitos;

b) uso da deflexão máxima (do) e do raio de curvatura (Rc) como

indicadores da capacidade estrutural dos pavimentos.

Fase 3 – Análise da bacia de deflexões – Esta é a fase atual, que se

caracteriza não somente pela obtenção da bacia de deflexões de forma rápida e acurada, mas também pela utilização de teorias apropriadas que permitem a avaliação do comportamento mecânico dos materiais “in-situ”.

Durante a fase inicial do uso das deflexões como parâmetro para a avaliação da vida útil de um pavimento, procurou-se associar a magnitude da deflexão máxima com a vida de um pavimento, geralmente expressa em número de repetições permitidas e expressa por meio de um critério empírico de falha/ruptura.

Conforme Simm Jr (2007), o Raio de curvatura (Rc) surgiu como elemento

complementar nas análises dos levantamentos com a viga Benkelman para indicar a capacidade do pavimento em distribuir as tensões das cargas do tráfego. Trata-se de um importante parâmetro de análise, pois diferentes estruturas de pavimento podem apresentar a mesma deflexão máxima e possuírem condições estruturais bem distintas. A forma da bacia indica a aptidão da estrutura em receber e distribuir as tensões para as camadas subjacentes.

Quando um pavimento apresenta valores baixos de raio de curvatura é um indicativo que a estrutura de pavimento apresenta baixa capacidade de distribuição de tensões. Já valores de raio de curvatura elevados indicam boa capacidade de distribuição de tensões. De maneira geral, considera-se que raios maiores que 100m (DNIT, 2006) indicam boa capacidade estrutural, enquanto valores abaixo deste

através de técnicas de retroanálise, para a estimativa dos módulos resilientes médios dos materiais empregados na estrutura do pavimento.

Segundo MACEDO (1996), a necessidade de bons resultados de avaliação não destrutiva de pavimentos promoveu o desenvolvimento de diferentes tipos de equipamentos para ensaios deflectométricos visando atender as seguintes questões:

• Aumentar a acurácia das medidas;

• Aumentar a produtividade em termos de números de ensaios por dia de trabalho;

• Simular, de forma mais real possível, as condições de carregamento do tráfego (magnitude, forma e tempo equivalente de carregamento);

• Obtenção de formas simples de operação e de interpretação dos resultados; e

• Procurar reduzir os custos dos ensaios.

Segundo Macêdo (1996), três classes de equipamentos não destrutivos são utilizados frequentemente para a obtenção de dados deflectométricos:

• equipamentos de carregamento quase-estático que medem a deflexão do pavimento sob carregamento das rodas de veículos que deslocam a velocidade muito baixa para que não ocorra a influência de forças inerciais. Exemplos: ensaio de placa, viga Benkelman, curvímetro, deflectógrafo Lacroix e o deflectógrafo móvel da Califórnia “Califórnia travelling deflectometer”.

• equipamentos de carregamento dinâmico em regime permanente que aplicam uma carga estática na superfície do pavimento e o caráter dinâmico do ensaio é obtido a partir da indução de uma vibração harmônica estável. Inclui-se aqui os equipamentos Dynaflect, o Road Rater e o vibrador WES-16 do Corpo de Engenheiros dos E.U.A.

• equipamentos que medem a deflexão a partir de carregamentos por impulso "Falling Weigth Deflectometer – FWD”. Estes equipamentos

aplicam uma força transiente ao pavimento pelo impacto causado por um peso alçado a uma certa altura num sistema guia e, a seguir, liberado. O peso ao cair choca-se com uma placa que transmite a força ao pavimento, força esta que pode ser variada pela alteração do conjunto de massas e/ou altura de queda através de um processo de tentativa e erro para a resposta conveniente da estrutura. Nesta classe de equipamentos são incluídos: Dynatest FWD, Dynatest HWD, Phoenix FWD, Kuab FWD (versão sueca) e o Nagaoka Kuab FWD (versão japonesa).

Existem também outros equipamentos que são utilizados para ensaios não- destrutivos que se baseiam em transmissão de ondas eletromagnéticas como o Ground Penetration Radar (GPR) e na propagação de ondas sísmicas.

Conforme Bernucci et al (2007) há bastante diferença entre os valores numéricos de avaliação estrutural realizados utilizando-se cada um desses tipos de equipamentos, que podem ser usados para levantamentos da condição de pavimentos para sistema de gerência em nível de rede, para análise de rotina ou para projeto de reabilitação. Todos os equipamentos devem ser constantemente calibrados por processos específicos e seguem rotinas de aplicação determinada pelo tipo de carregamento.

Os equipamentos de medição de deflexão do pavimento mais utilizados no país são de duas gerações bastante distintas:

• A viga Benkelman, desenvolvido na década de 50 pelo engenheiro A.C. Benkelman do Departamento de Transportes da Califórnia. Foi introduzido no Brasil em 1962.

• FWD - (falling weight deflectometer), criados na década de 80. Foi introduzido no Brasil em 1994.

2.3.2.1 Equipamentos de carregamento quase-estático a) Ensaio de Placa

Também conhecido como “Prova de Carga”, é um procedimento para medida estática de deflexão, sendo a carga aplicada por um macaco hidráulico em uma placa rígida com 762 mm de diâmetro sobre a superfície do pavimento, ver figura 16.

É um procedimento pouco difundido na avaliação de pavimento devido ao longo tempo que se gasta para ser executado e ser um procedimento trabalhoso.

Figura 16 - Esquema do ensaio de placa (NÓBREGA, 2003).

b) Viga Benkelman

A viga Benkelman foi desenvolvida por A. C. Benkelman junto com a WASHO Road Test, com a finalidade de reduzir os custos e aumentar a velocidade das avaliações de pavimentos, que vinham sendo feitas através do ensaio de placa.

Na busca de se determinar as condições estruturais do pavimento, desde a década de 1960 o Brasil emprega a viga Benkelman por se tratar de um equipamento de fácil manuseio e ser largamente difundido no mundo.

Conforme a norma DNER (1994d), a viga Benkelman, conforme ilustrada na figura 17, é composta de uma haste metálica articulada e apóia-se em um suporte também

metálico, constituído de três pés, sendo a viga móvel acoplada a esta por meio de uma articulação, ficando uma das extremidades (ponta de prova) inserida entre as rodas do semi eixo de um caminhão com 8,2t no eixo simples de roda dupla traseiro, conforme ilustrado nas figuras 18 e 19. A outra aciona um extensômetro com precisão de milímetros. Possui também um pequeno vibrador com a finalidade de vencer o atrito entre as peças móveis e impedir eventuais inibições do ponteiro do extensômetro. A viga apresenta uma relação conhecida entre os comprimentos da ponta de prova à articulação (a) e desta a ponto de posicionamento do extensômetro (b), que geralmente obedecem a relação 2/1, 3/1 ou 4/1.

Figura 19 - Ilustração do ensaio realizado com a viga Benkelman (BERNUCCI et al., 2007).

No Brasil este método de ensaio é normatizado através das normas DNER-ME 024/94 (DNER, 1994d) e pelo DNER-ME 061/94 (DNER, 1994g).

c) Viga Benkelman Automatizada

Segundo Preussler e Pinto (2002), as vigas de deflexão automatizadas, baseiam-se no mesmo princípio da viga Benkelman, foram desenvolvidas para aperfeiçoar as medidas de deflexão. Estas vigas são montadas sob o veículo teste e uma vez posicionadas são medidas as deflexões e gravadas automaticamente em cada ponto de teste, enquanto o caminhão está em movimento, ver figura 20.

A viga Benkelman foi automatiza com o objetivo de aumentar a velocidade na medida das deflexões. Este equipamento foi desenvolvido na França e é bastante utilizado na Europa, o deflectógrafo La Croix é a viga automatizada francesas disponível no mercado e The British Pavement Deflection é o similar inglês. Durante o procedimento o veículo com a viga se movimenta com uma velocidade constante de 3 Km/h, com a operação toda automatizada. O Traveling Deflectometer

automatizada que faz o procedimento com uma velocidade inferior aos outros dois equipamentos, no caso 0,8 Km/h.

Figura 20 - Ilustração do Deflectôgrafo Digital (www.solostest.com.br, 2004 apud CAVALCANTE, 2005).

2.3.2.2 – Equipamentos de carregamento dinâmico a) Dynaflect

Conforme Rocha Filho (1996), o dynaflect consiste basicamente de um trailer rebocado por veículo, onde estão instalados o sistema de carregamento e os sensores de deflexão, ver figura 21. O carregamento cíclico é obtido através de um gerador de força dinâmica que aciona um sistema de pesos excêntricos (duas rodas de aço) de rotação de 8Hz, onde a amplitude (variação entre o máximo e o mínimo) é de 1.000 lb (≈ 454 kgf). O registro das deflexões produzidas pelo carregamento cíclico aplicado ao pavimento é adquirida automaticamente por 5 geofones instalados com espaçamentos de 12 polegadas (≈ 30,5 cm) a partir do centro de carga (entre as duas rodas de aço).

• Necessidade de aplicação de uma pré-carga estática em cada estação de ensaio, com valor superior a duas vezes o valor da carga que será utilizada nos ensaios;

• Baixa magnitude de carregamento aplicada no pavimento;

• Não permite a variação da freqüência nem do carregamento aplicado ao pavimento;

• Não podem ser registradas deflexões diretamente sob o ponto da aplicação da carga.

Figura 21 - Ilustração do Dynaflect (CAVALCANTE, 2005).

No Brasil o uso do Dynaflect é normatizado através do método de ensaio DNER-ME 039/94 (DNER, 1994h).

b) Road Rater

O Road Rater é um equipamento vibratório com capacidade de variar a magnitude e a freqüência de aplicação das cargas. O carregamento cíclico aplicado ao pavimento é registrado automaticamente por 5 geofones instalados com espaçamentos de 12

polegadas (≈ 30,5 cm) a partir do centro de carga (entre as duas rodas de aço) (ROCHA FILHO, 1996).

Estão comercialmente disponíveis em uma série de modelos, contemplando cargas estáticas de 1088 a 2630 Kg e cargas dinâmicas de pico a pico de 226 a 3628 Kg. A frequência utilizada pode ser varia de 5 a 70 hertz, utilizando-se quatro sensores para obter a bacia de deflexão.

2.3.2.3 – Equipamentos de carregamento por impulso

São equipamentos que efetuam as medidas das deflexões através de um impacto por queda de um peso suspenso a certa altura, sobre amortecedores que comunicam o choque a uma placa metálica apoiada sobre o pavimento no ponto de leitura da deflexão máxima. São conhecidos com Falling Weight Deflectometer (FWD).

Para alguns estudiosos, a força transitória de impulso criada pelo FWD em pavimentos se aproxima mais de situações reais de cargas móveis do que as desenvolvidas pelos equipamentos estáticos e vibratórios.

Segundo Pinto e Preussler (2002), todos os equipamentos que utilizam o modo de carregamento dinâmico de impacto (impulso) estão incluídos nesta classificação e são chamados de FWD – “Falling Weight Deflectometer” ou deflectômetros de impacto. Os equipamentos mais conhecidos no Brasil são o Dynatest FWD e o KUAB FWD.

O princípio de funcionamento dos equipamentos de carregamento por impulso é caracterizado pela queda de um conjunto de pesos sobre um sistema de borracha que amortece e transfere as cargas aplicadas a uma placa circular apoiada no pavimento, ver esquema nas figuras 23 e 25. As deflexões provocadas pela

Estes equipamentos permitem variações na magnitude do carregamento aplicado ao pavimento em função da modificação da altura de queda e/ou pela alteração da configuração do conjunto de massas utilizado. Podem assim, simular os efeitos de diferentes configurações de eixos, rodoviários ou de aeroportos (MACÊDO, 1996).

Figura 22 - Princípio de funcionamento do FWD (BERNUCCI et at, 2007).

A força de pico aplicada pode ser obtida igualando-se a energia potencial da massa antes de sua queda, com o trabalho desenvolvido pelos amortecedores de borracha, depois da queda. Desta forma, pode-se obter a força de pico exercida no pavimento através da equação 2.7:

(2.7)

Sendo:

F = força de pico

M = massa do peso que cai g = aceleração da gravidade h = altura de queda

k = constante de mola do sistema de amortecedores

O carregamento é transmitido ao pavimento através de uma placa de 30cm de diâmetro e é medido por célula de carga, onde a duração da carga varia de 25 a 30 ms (milisegundos), tempo esse que corresponde a passagem de um veículo com velocidade de 60 a 80 km/h.

No Brasil os ensaios com os equipamentos tipo Falling Weigth Deflectometer são normatizados pelo procedimento DNER PRO-273/96.

a) FWD Dynatest Modelo 8000E

É um equipamento de origem Dinamarquesa e que foi aperfeiçoado nos Estados Unidos, onde hoje é o mais utilizado. A força de impulso é gerada pela queda de um conjunto de massas metálicas sobre um sistema de amortecedores de borracha que transmitem a carga ao pavimento através de uma placa de 30 cm de diâmetro, apoiada sobre uma membrana de borracha, ver figura 22. A força aplicada ao pavimento pode variar entre 1.500 lb (7kN) a 2.500 lb (111kN) em função da altura

de 2,25 m de comprimento, os quais são dispostos longitudinalmente em relação ao ponto de aplicação da carga, conforme ilustração na figura 25.

De acordo com Macêdo (1996), as distâncias dos geofones em relação ao centro da carga aplicada são fixadas objetivando maximizar a acurácia em função da estrutura ensaiada. Os geofones devem ser posicionados de forma que as deflexões por eles registradas reflitam a contribuição individual de cada camada inserida na zona de tensões provocada pelo carregamento aplicado. É comum os seguintes espaçamentos: 0, 20, 30, 45, 60, 90, e 150, conforme o manual de operações com FWD do programa de pesquisas.

Figura 24 - Ilustração do FWD Dynatest 8000E

Figura 25 - Esquema do posicionamento da carga e dos geofones do FWD Dynatest 8000E (WSDOT, 1995a)

b) FWD KUAB

É um equipamento de origem sueca, a força de impulso é gerada por um sistema duplo de carga, sendo ajustável na massa e altura de queda, a amplitude da força criada pode varia de 1223 a 15875 kg. A carga é transferida por uma placa circular segmentada, que possibilita melhor uniformização na distribuição do carregamento aplicado pela placa de carga, de 30 cm de diâmetro e as medidas lidas por cinco transdutores de deflexão (sismógrafos), este equipamento também possui automatização integral.

Segundo PEREIRA (2007), o sistema duplo de cargas cria um pulso de carga mais largo (maior tempo) do que os outros equipamentos FWD, representando melhor a duração de tensões criadas pelos caminhões. A placa segmentada fornece contato com o pavimento.

Figura 26 - Ilustração do FWD KUAB (http://www.dot.ca.gov/ apud CAVALCANTE, 2005).