PROGRAMAS COMPUTACIONAIS EXISTENTES

Após a década de 1970, com o avanço da computação, foram desenvolvidos muitos sistemas de cálculo de tensões e deformações para pavimentos asfálticos e de concreto. Cada programa apresenta peculiaridades concernentes a base teórica, método de cálculo, hipóteses de descontinuidade, tipo de carregamento e comportamento tensão versus deformação.

A seguir estão sintetizadas as principais características dos programas de computador, para análise de estruturas de pavimentos flexíveis e semi-rígidos.

O ELSYM5 foi desenvolvido segundo a formulação matemática da teoria da elasticidade desenvolvida por Burmister de meios semi-infinitos estratificados. Utiliza modelagem elástico-linear (Módulo de Resiliência constante) e o procedimento de cálculo é o do método das diferenças finitas.

O programa ELSYM5 foi desenvolvido na Universidade da Califórnia, em Berkeley, Califórnia, EUA. A linguagem científica utilizada foi o FORTRAN (Formula Translation), uma das primeiras linguagens aplicadas em programas para dimensionamento de pavimentos. Foi elaborado inicialmente, na década de 1970, para computadores de grande porte; e adaptado por Kopperman et al (1986) para computadores pessoais. Conforme mencionado se fundamenta nos modelos teóricos generalizados em 1943 por Burmister, possibilitando o cálculo de estruturas flexíveis e semi-rígidas de até cinco camadas superpostas e permite o cálculo das tensões, deslocamentos e deformações para um sistema tridimensional de camadas elásticas. O programa fornece as tensões horizontais, verticais e de cisalhamento máximo assim como as tensões principais em qualquer ponto do sistema. As camadas são consideradas horizontalmente infinitas, possuindo espessuras uniformes e finitas com exceção da última que possui espessura infinita. Os módulos de resiliência e coeficientes de Poisson são constantes. As possibilidades relativas às configurações de carregamento estabelecem como limite até dez cargas de rodas simples, cuja aplicação é distribuída uniformemente sobre uma área circular na superfície do sistema. O princípio da superposição de tensões e deformações é empregado na determinação dos efeitos de rodas múltiplas, a partir dos resultados calculados para uma única roda.

3.6 FEPAVE

O programa computacional FEPAVE (Finite Element Analysis of Pavement Structures) utiliza a formulação elástica bidimensional e axissimétrica de soluções pelo método dos elementos finitos (meio contínuo dividido em elementos fictícios de dimensões finitas, ligados entre si por pontos nodais que se assimilam a articulações sem atrito). Permite a avaliação de estruturas de pavimento com camadas múltiplas, segundo a formulação matemática advinda da teoria da elasticidade, direcionada para pavimentos de meios semi- infinitos e estratificados de até 12 camadas. Uma das vantagens do programa é a consideração

da não linearidade elástica dos módulos das camadas do pavimento, tanto na direção axial quanto radial. Além disso, o programa permite modelar o módulo da camada asfáltica em função da temperatura. Por esta razão foi decisivo o uso do FEPAVE na análise estrutural de pavimentos flexíveis que possuem espessas camadas granulares (bases de brita graduada, solo-brita, sub-bases arenosas, etc.) em que a consideração da não linearidade é essencial (MEDINA, 1997).

O FEPAVE é originário da Universidade de Berkeley, em 1968, e foi doado a COPPE em 1973. Desde sua doação, o programa tem sido uma ferramenta bastante utilizada por diversas pesquisas e dissertações de mestrado e doutorado e vem sendo atualizado constantemente, por meio de implementações mais avançadas, tais como:

i. rotina amigável para a entrada de dados e a visualização de resultados (SILVA, 1995; BARBOSA, 2007);

ii. rotina para análises de confiabilidade através do processo estocástico de Rosenblueth (MOTTA, 1991);

iii. rotina que permite a utilização de diversos tipos de modelos de não linearidade de módulos dos materiais; e uma planilha eletrônica para utilizar o FEPAVE diretamente do programa Excel (FRANCO, 2000, 2004a, 2004b).

As principais características do programa são:

análise bidimensional axissimétrica, linear e não linear;

elementos quadrangulares formados por quatro elementos triangulares de derformação constante (CST – Constant Strain Triangle);

na análise linear a carga de roda é dividida em quatro incrementos iguais; admite até 12 camadas;

contempla variação de temperatura para as camadas betuminosas; as cargas devidas ao peso próprio podem ser consideradas na análise. 3.7 JULEA

O programa computacional JULEA (Jacob Uzan Layered Elastic Analysis), para avaliação de estruturas de pavimento flexível, foi desenvolvido por Uzan (1978). Pode ser aplicado para sistemas de múltiplas camadas submetidos a carregamentos estáticos e/ ou dinâmicos

provenientes de rodas simples ou rodas duplas de eixos simples ou eixos tandem. O comportamento tensão x deformação de cada camada é elástico-linear.

A importância de se utilizar este programa se deve ao fato de ele ter sido utilizado nos E.U.A. por Ayres (1997), em sua tese de doutorado, pela FAA (1995, 1996) no desenvolvimento do LEDFAA, e no Brasil por Franco (2000) para o desenvolvimento do PAVE (2000), no sistema REPAV de retroanálise desenvolvido por Fonseca (2002) e no AASHTO (2002). O programa JULEA se fundamenta nos modelos teóricos de Burmister e Boussinesq generalizado, de forma a possibilitar o cálculo de estruturas flexíveis de até 8 camadas superpostas e permite o cálculo das tensões, deslocamentos e deformações para um sistema tridimensional de camadas elásticas. O programa fornece as tensões horizontais, verticais e de cisalhamento máximo, assim como as tensões principais em qualquer ponto do sistema. As camadas são consideradas horizontalmente infinitas, possuindo espessuras uniformes e finitas com exceção da última que possui espessura infinita. Os módulos de resiliência e coeficientes de Poisson são constantes. As possibilidades relativas às configurações de carregamento estabelecem que a aplicação é distribuída uniformemente sobre área circular na superfície do sistema.

3.8 KENLAYER

O programa computacional KENLAYER foi desenvolvido pelo professor Yang Hsien Huang da Universidade de Kentucky entre as décadas de 70 e 80, estando sempre em atualização, em virtude de sua constante utilização por seus alunos. Em seu livro Huang (2003) detalha o sistema computacional e apresenta a teoria de projeto e dimensionamento de pavimentos e metodologias desenvolvidas por várias organizações, tais como a AASHTO, PCA e IA.

É empregado para análise de pavimentos flexíveis, e pode ser aplicado para sistemas de múltiplas camadas submetidos a carregamentos estáticos ou dinâmicos provenientes de rodas simples ou rodas duplas de eixos simples ou eixos tandem. O comportamento tensão versus deformação de cada camada pode ser elástico-linear, elástico não-linear ou viscoelástico. Pode realizar análise de dano nas camadas do pavimento, a partir da divisão do ano em períodos (no máximo 24). Cada período considera um grupo de propriedades diferenciadas

dos materiais envolvidos, a partir das repetições de diferentes carregamentos axiais (máximo de 24).

O programa também é fundamentado nos modelos teóricos generalizados em 1943 por Burmister, possibilitando o cálculo de estruturas flexíveis e semi-rígidas de até 19 camadas superpostas e permite o cálculo das tensões, deslocamentos e deformações para um sistema tridimensional de camadas elásticas. As camadas são consideradas horizontalmente infinitas, possuindo espessuras uniformes e finitas com exceção da última que possui espessura infinita. Os módulos de resiliência e coeficientes de Poisson podem ou não ser constantes, dependendo do modelo adotado no projeto. As possibilidades relativas às configurações de carregamento estabelecem como limite até 24 cargas, cuja aplicação é distribuída uniformemente sobre uma área circular na superfície do sistema.

Huang (2003) incorporou três métodos para análise não linear aproximada. O primeiro método subdivide a camada de comportamento elástico não linear em subcamadas e as tensões no centro delas são utilizadas para a determinação do módulo de resiliência. No segundo método a camada não é subdividida e um ponto específico é selecionado para calcular o módulo de resiliência. O terceiro método, incorporado na nova edição do KENLAYER, a camada não é subdividida e as tensões obtidas no centro da camada, para o cálculo do módulo de resiliência, são modificadas pela teoria do círculo de Mohr-Coulomb, de modo a não exceder a resistência do material.

O primeiro método utilizado por Huang (2003) permite variar o módulo de elasticidade na direção vertical com a divisão das camadas dos materiais de comportamento elástico não linear em subcamadas. A principal diferença em relação ao MEF é que a variação dos módulos de resiliência das camadas não lineares ocorre apenas na direção vertical, não podendo variar no plano horizontal, dentro de cada subcamada. Quando o material possui comportamento visco-elástico os modelos de comportamento são ajustados para diferentes durações de carga e temperatura.

3.9 RIOPAVE

Aedo (1997) implementou um programa tridimensional não linear para análise de pavimentos asfálticos pelo Método dos Elementos Finitos, denominado RIOPAVE. O programa resultou

de adaptações de uma ferramenta genérica de cálculo de tensões, deformações e deslocamentos, já existente na PUC/RJ, para caracterizar o problema relacionado à pavimentação, com o aproveitamento, também, das rotinas do FEPAVE quanto à caracterização dos materiais. Considera um carregamento com diversas rodas. Nele, é possível utilizar malhas mais discretizadas e com um número superior de Elementos Finitos do tipo hexagonal com oito nós.

O RIOPAVE é apenas uma ferramenta de cálculo. Ele não possui nenhuma interface para a geração da malha de Elementos Finitos de forma automática, o que dificulta muito sua utilização. Gerar a malha de Elementos Finitos significa, além de numerar os nós e os elementos, determinar para cada nó da malha as suas coordenadas, as suas condições de contorno, as forças equivalentes às tensões que atuam nas faces dos elementos carregados e, ainda, para cada elemento, as conectividades entre os nós. No caso tridimensional esta tarefa é extremamente trabalhosa, dado o número elevado de nós e elementos.

3.10 CAP3D

Este programa compõe um sistema computacional integrado para modelagem, análise e visualização de pavimentos asfálticos com interface gráfica amigável. Integra projeto em desenvolvimento PC03 – Análise Numérica de Pavimentos, apoiado pela Rede N/NE de Pesquisa em Asfalto (Rede Asfalto, 2007). O programa vem sendo desenvolvido por pesquisadores da Universidade Federal de Pernambuco e Universidade Federal do Ceará utilizando a técnica de Programação Orientada a Objetos (POO) de modo a gerar um sistema computacional facilmente expansível através da definição de uma série de classes base, que podem ser facilmente derivadas e especializadas através de mecanismos de herança e polimorfismo.

O sistema CAP3D está em constante aprimoramento com objetivos de:

i. desenvolvimento de sistema computacional integrado (modelagem, análise e visualização) para análise e projeto de pavimentos asfálticos;

ii. desenvolvimento de previsão de dano (propagação de trincas e vida de fadiga); iii. implementação de análise tridimensional;

v. implementação de modelos constitutivos adequados a modelagem de comportamento de pavimentos asfálticos;

vi. validação do sistema com simulações promovidas entre situações conformes.

Atualmente o CAP3D possui a capacidade de pré e pós-processamento de dados para tratar modelos planos, axissimétricos e tridimensionais utilizando elementos de diferentes formas (triângulos, quadriláteros e hexaedros) e ordens de interpolação (linear e quadrática). O sistema é capaz de realizar análises estáticas e dinâmicas, lineares e não lineares, através de diferentes algoritmos. Todas essas feições estão integradas em interface com o usuário em plataforma Windows. Além disso, uma característica importante do CAP3D é a maneira simples e genérica de implementação dos modelos constitutivos. Continua sendo difícil o problema da implantação de modelos constitutivos resilientes. Na opinião dos pesquisadores envolvidos no projeto, a resposta tensão versus deformação de uma amostra de solo granular submetida a carregamento repetido apresenta inicialmente deformações plásticas. Observa-se que a quantidade de escoamento plástico diminui com o carregamento cíclico até que a resposta se torne essencialmente elástica. Se o nível de carga é aumentado acima do nível

shakedown,2 surge um escoamento plástico adicional, mas para cargas inferiores a este limite, a amostra exibe uma resposta elástica. Este tipo de comportamento condiciona a hipótese de que materiais granulares em camadas de pavimentos passam por shakedown até alcançarem uma resposta resiliente (elástica não linear) quando submetidos a cargas reptidas.

3.11 SisPav (Franco, 2007)

O sistema computacional SisPav, desenvolvido na COPPE/UFRJ, incorpora confiabilidade, a análise de tensões e deformações e interfaces gráficas para visualização dos resultados. Adota formulação elástico-linear e não linear, sendo os danos estimados por modelos de previsão de fadiga, deformação permanente e deformação máxima admissível no topo do subleito, adequadas às condições do país, tanto quanto possível atualmente, e considerados diversos tipos de configuração de eixos. Desenvolvido em Visual C++, versão 6.0, o programa busca alinhar a praticidade e simplificação na entrada de dados, a agilidade e velocidade nos cálculos e processamento com a apresentação em gráficos e tabelas de fácil manipulação dos        

2 _{A teoria do acomodamento (“shakedown”) não tem sido implementada na análise estrutural de pavimentos no}

resultados. O intuito, além da disponibilidade pública do programa, é facilitar o contato de estudantes e projetistas com o processo de análise e dimensionamento mecanístico-empírico de pavimentos.

O projetista pode contemplar ações climáticas para o local onde existe ou será construída a estrutura do pavimento. Ao selecionar o local, as informações sobre as temperaturas médias mensais do ar são apresentadas na tabela e no gráfico da tela. Caso o local do projeto não se encontre disponível no banco de dados interno do programa SisPav, as informações poderão ser inseridas manualmente. O banco de dados interno foi obtido das Normais Climatológicas (BRASIL, 1992). O detalhamento de tráfego é feito por eixo e por volume de tráfego no mês. O propósito do sistema é contribuir para o dimensionamento mecanístico-empírico de estruturas de pavimentos asfálticos, com base nas informações detalhadas de tráfego, das condições ambientais e das características dos materiais disponíveis. Para tanto, um conjunto de programas de computador para análise e verificação de vida de projeto de pavimentos foram desenvolvidos, o de Análise Elástica de Múltiplas Camadas (AEMC), o de Análise por Elementos Finitos Tridimensional (EFin3D) e o de dimensionamento e verificação de estruturas de pavimentos, o SisPav.