UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
VANESSA GATTO
DELIMITAÇÃO DOS MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DE
REVESTIMENTO PRIMÁRIO PROPOSTO PELO PROGRAMA DE
ASSISTÊNCIA AO TRANSPORTE DA DAKOTA DO SUL PARA O
NORTE DO ESTADO DE MATO GROSSO
Sinop - MT
2015/2
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
VANESSA GATTO
DELIMITAÇÃO DOS MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DE
REVESTIMENTO PRIMÁRIO PROPOSTO PELO PROGRAMA DE
ASSISTÊNCIA AO TRANSPORTE DA DAKOTA DO SUL PARA O
NORTE DO ESTADO DE MATO GROSSO
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Prof.ª Orientadora: Ana Elza Dalla Roza
Sinop- MT
2015/2
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Mapa rodoviário do estado do Mato Grosso...10
Figura 2: Faixa granulométrica de materiais para revestimento primário...11
Figura 3: Estrada com presença de ondulações devido baixa capacidade de suporte...12
Figura 4: Estrada com presença de panelas...12
Figura 5: Estrada com drenagem inadequada...13
Figura 6: Exemplo do eixo padrão rodoviário...17
Figura 7: Classificação resiliente de solos granulares...19
Figura 8: Classificação dos solos finos...20
Figura 9: Período de duração das estações do ano no Estado de Mato Grosso...21
Figura 10: Relação entre nível de serventia terminal (ST) e aceitação do usuário....21
Figura 11: Espessura (cm) sugerida para camada de revestimento primário para o método de dimensionamento 1...24
Figura 12: Espessura (cm) sugerida para camada de revestimento primário para método de dimensionamento 2...25
Figura 13: Relação entre modulo resiliente e CBR...27
Figura 14: Gráfico de determinação do numero permitido de solicitações do eixo padrão com base no parâmetro perda de serventia (PS)...28
Figura 15: Planilha para aplicação do método de dimensionamento 3...28
Figura 16: Gráfico de determinação do número permitido de solicitações do eixo padrão com base na profundidade das ondulações (CASE)...29
Figura 17: Danos totais vs. espessura da base para os critérios de serventia e deterioração ...30
Figura 18: Ábaco de conversão da parte da espessura da camada de base em espessura equivalente de sub-base...31
LISTA DE ABREVIATURAS
AASHTO – American Association of State Highwoy and Transportation CASE – Condições Admissíveis da Superfície da Estrada
CBR – Califórnia Bearing Ratio (Índice de Suporte Califórnia) DNIT – Departamento Nacional de Infra-estrutura e Transportes EDCR – Efeito da Duração do Clima na Região
FTP – Futuro Tráfego Previsto
INMET – Instituto Nacional de Meteorologia ISC – Índice de Suporte Califórnia
MRS – Módulo Resiliente do Subleito PS – Perda de Serventia
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Adaptação e verificação dos métodos de dimensionamento de revestimento primário proposto pelo Programa de Assistência ao Transporte da Dakota do Sul para o norte do Estado de Mato Grosso.
2. Tema: 30103053 – Pavimentos
3. Delimitação do Tema: Projeto de estradas de terra 4. Proponente(s): Vanessa Gatto
5. Orientador(a): Ana Elza Dalla Roza
6. Estabelecimento de Ensino: Universidade do Estado de Mato Grosso 7. Público-alvo: Profissionais de engenharia e comunidade acadêmica
8. Localização: Av. dos Ingás, nº 3001, Jardim Imperial, Sinop-MT, CEP 78555-000
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ... ...I LISTA DE ABREVIATURAS ... ....II DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... ...III
1 INTRODUÇÃO ... ....5 2 PROBLEMATIZAÇÃO ... ....6 3 JUSTIFICATIVA... ....7 4 OBJETIVOS ... ....8 4.1 OBJETIVO GERAL ... 8 4.2 OBJETIVO ESPECÍFICO ... 8 5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... ....9
5.1 IMPORTÂNCIA DAS ESTRADAS DE TERRA ... .9
5.2 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS ESSENCIAIS PARA ESTRADAS DE TERRA ... 10
5.3 CLIMA DO ESTADO DE MATO GROSSO ... 14
5.3 MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DE REVESTIMENTO PRIMÁRIO .. 15
5.3.1 Método de Dimensionamento 1 ... 15
5.3.2 Método de Dimensionamento 2 ... 16
5.3.3 Método de Dimensionamento 3 ... 16
5.3.3.1 Futuro Tráfego Previsto – FTP ... 17
5.3.3.2 Módulo Resiliente do Subleito e Camada de Base ... 18
5.3.3.3 Efeitos da duração do clima na região – EDCR ... 20
5.3.3.4 Perda de Serventia da Superfície da Estrada - PS ... 21
5.3.3.5 Condições Admissíveis da Superfície da Estrada – CASE ... 22
6 METODOLOGIA ... ..23
6.1 MÉTODO 1 ... 23
6.2 MÉTODO 2 ... 24
6.3 MÉTODO 3 ... 25
6.4 VERIFICAÇÃO DOS MÉTODOS ... 32
7 CRONOGRAMA ... ..33
1 INTRODUÇÃO
No Brasil a infraestrutura rodoviária beneficia principalmente as áreas proeminentemente industriais, em detrimento as de produção primária. As estradas não pavimentadas, aqui também chamadas de estradas de terra, localizam-se geralmente em áreas rurais e resultam da evolução de trilhas e caminhos precários remanescentes de épocas pioneiras. Tais vias suprem as necessidades de prover a uma determinada localidade um fluxo regular de mercadorias e serviços sendo um importante meio para o desenvolvimento social uma vez que através delas que a população tem acesso aos centros urbanos.
A situação da malha rodoviária do estado de Mato Grosso assemelha-se ao restante da malha nacional e caracteriza-se por colocar a rede rodoviária não pavimentada em segundo plano. Dados presentes no relatório do Departamento Nacional de Infraestrutura e Transportes - DNIT (2013), indicam que o estado conta com quase 3000 km de rodovias sobre jurisdição federal sem pavimentação. Sendo que muitas delas apresentam-se em estado de manutenção precária, o que acarreta prejuízos econômicos e sociais para a região.
Como na maioria das regiões do Brasil, no Mato Grosso há predomínio de clima tropical, sendo assim os solos presentes nessas áreas são considerados solos tropicais. A análise das características climáticas da região tem grande influência no dimensionamento de pavimentos, uma vez que o clima afeta diretamente o desempenho e durabilidade do mesmo.
A ausência de critérios de dimensionamento para a obtenção da espessura necessária do revestimento primário faz desta um trabalho dificultoso e exposto às adversidades apresentadas. Com o proposito de subtrair essas desvantagens técnicas busca-se a elaboração de um critério para dimensionar esta camada de revestimento a partir de um método pré-existente desenvolvido pelo Programa de Assistência ao Transporte Local da Dakota do Sul, nos EUA, e adaptando-o ao território brasileiro, mais precisamente ao estado do Mato Grosso.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
As estradas de terra desempenham uma importante função no escoamento da produção agrícola para os centros urbanos, e permitem a pequenas localidades um fluxo regular de mercadorias e serviços garantindo a qualidade de vida local. É visto que no estado do Mato Grosso existe uma precariedade nas condições de uso e manutenção das estradas de terra da região, sendo que elas geralmente apresentam-se de forma a não garantir um conforto e segurança necessário aos usuários.
Sendo muitas vezes oriundas da evolução de trilhas e caminhos precários, as estradas de terras geralmente são construídas sem o uso de métodos que garantam a duração da camada de revestimento primário aliado a uma previsão para realização de manutenção da mesma que leve em conta a demanda de tráfego e as condições climáticas da região.
3 JUSTIFICATIVA
Com base na importância das estradas de terra para o desenvolvimento de uma região, percebe-se que as mesmas devam permanecer com sua superfície de rolamento em boas condições de trafegabilidade durante todas as épocas do ano.
Assim preocupa-se em desenvolver um método para determinar a espessura necessária do pavimento, conforme critérios técnicos e econômicos para a construção de estradas de baixo volume de tráfego, oferecendo eficiência operacionalidade e menor custo na conservação.
4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GERAL
Adequar o método de dimensionamento de pavimento para estradas de terra desenvolvido pelo Programa de Assistência ao Transporte da Dakota do Sul (SD-LTAP) (2000) para ser utilizado no Norte do Estado de Mato Grosso.
4.2 OBJETIVO ESPECÍFICO
Determinar espessuras do pavimento para os métodos 1, 2 e 3 propostos pelo Programa de Assistência ao Transporte da Dakota do Sul (SD-LTAP) (2000), com relação aos tráfegos, leve, médio e pesado;
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
5.1 IMPORTÂNCIA DAS ESTRADAS DE TERRA
As rodovias não pavimentadas, também chamadas de estradas de terra, geralmente são oriundas de caminhos simplesmente abertos e caracterizam-se por não possuir qualquer tipo de revestimento do tipo rígido (concreto) ou flexível (betuminoso). Como no restante do Brasil, no estado de Mato Grosso as estradas não pavimentadas desempenham uma importante função no escoamento da produção agrícola para os centros urbanos, e permitem a pequenas localidades um fluxo regular de mercadorias e serviços garantindo a qualidade de vida local.
Constata-se que por vezes a rede rodoviária não pavimentada é tida como segundo plano, o que acarreta prejuízos econômicos e sociais como perda da produção a ser escoada, perda da expansão de serviços públicos na região e gastos desnecessários com a manutenção dos veículos que trafegam pela via.
Segundo relatório do Departamento Nacional de Infraestrutura e Transportes – DNIT (2013) a rede rodoviária nacional conta com um total de 80,4% das rodovias com tipo de superfície não pavimentada, sendo que destas mais de 90% estão sobre jurisdição municipal. Mais precisamente, o estado do Mato Grosso conta com mais de 2900 km de rodovias sem pavimentação sendo estas sobre jurisdição federal (Figura 1).
Figura 1 – Mapa rodoviário do estado de Mato Grosso. Fonte: Ministério dos Transportes (2012)
Tendo em vista a importância das estradas de terra para o desenvolvimento de uma determinada região, e que as mesmas fazem-se maioria na rede rodoviária nacional, entende-se nitidamente que tais vias devam subsistir com suas superfícies de rolamento em boas condições de trafegabilidade garantindo conforto e segurança ao seu usuário no decorrer de todas as épocas do ano.
5.2 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS ESSENCIAIS PARA ESTRADAS
DE TERRA
Para maior durabilidade da superfície de rolamento e boas condições de trafegabilidade em estradas de terra é indispensável a construção de um revestimento primário a ser inserido sobre o subleito ou sobre o seu reforço. Os
materiais utilizáveis na construção e recuperação deste revestimento são encontrados, na maioria das vezes próximos ao trecho a ser estruturado. A disponibilidade destes materiais depende basicamente das características geológicas e pedológicas da região (Santos et al., 1985).
O revestimento primário consiste da mistura de um material argiloso com um material granular, geralmente na proporção de 1,0 de argila para 2,5 do material granular sendo que esta mistura pode ser preparada ou obtida naturalmente na jazida (Santos et al., 1985). O material argiloso tem função de ligante e regularizador da superfície de rolamento, ao passo que o material granular opera para aumentar o atrito da pista com as rodas do veículo.
Segundo as recomendações do Departamento de Estradas do Estado da Dakota do Sul – EUA, a camada de revestimento primário deve possuir a granulometria recomentada e detalhada pelo quadro presente na Figura 1.
Peneiras ¾” Nº 4 Nº8 Nº 40 Nº 200
Aberturas (mm) 19,1 4,8 2,4 0,42 0,075
% Passando 100 50 – 78 37 – 67 13 – 35 4 – 15 Índice de Plasticidade (IP) : 4 – 12%
Figura 2– Faixa granulométrica de materiais para revestimento primário Fonte: South Dakota Local Transportation – US apud Baesso e Gonçalves, 2003
Com a finalidade de garantir condições de tráfego satisfatórias em uma estrada de terra duas características técnicas são fundamentais: boa capacidade de suporte e boas condições de rolamento e aderência (Baesso e Gonçalves, 2003).
A capacidade de suporte é aquela que proporciona a estrada uma maior ou menor tendência a não se deformar frente as solicitações de tráfego. Quando ocorre a falta de capacidade de suporte verificam-se deformações como ondulações transversais e formação de rodeiros (Figura 3 ). Os materiais granulares como areia e cascalho são os mais indicados para conferir uma boa capacidade de suporte, juntamente com um eficiente processo de compactação (Santos et al., 1985).
Figura 3 – Estrada com presença de ondulações devido baixa capacidade de suporte Fonte: Skorseth e Selim (2000).
As boas condições de rolamento relacionam-se com as irregularidades encontradas na pista como panelas (Figura 4) e materiais soltos que afetam a comodidade e segurança do tráfego. Já a aderência diz respeito as boas ou más condições de atrito, não permitindo a patinação das rodas dos veículos quando esta é satisfatória. Buscando-se as boas condições de rolamento aderência é indispensável o adequado preparo da mistura entre o material granular permite o atrito com o material ligante, como também a apropriada compactação da mistura (Santos et al., 1985).
Figura 4 – Estrada com presença de panelas. Fonte: Skorseth e Selim (2000).
A partir do momento em que a via não apresenta as condições de tráfego satisfatórias, faz-se necessário realizar reparos para a melhoria da durabilidade da superfície de rolamento acarretando alguns prejuízos devido ao forte impacto ambiental na obtenção dos materiais, aliados ao elevado custo com transporte do mesmo e uso de maquinários (Guedes et al., 2014).
O adequado sistema de drenagem é importante aspecto no projeto e na manutenção de estradas de terra, sendo que uma estradas revestida mas sem os devidos dispositivos de drenagem estará com a sua plataforma seriamente comprometida quando sujeita a chuvas, como mostrado na Figura 5 . Um bom sistema de drenagem requer atenção devendo levar em consideração fatores climáticos, topográficos, geológicos e o tipo de solo (Demarchi et .al, 2003).
Figura 5 – Estrada com drenagem inadequada. Fonte: Skorseth e Selim (2000).
Um importante fator que afeta o desempenho de um pavimento comprometendo as boas condições de rolamento, durabilidade e trafegabilidade é a duração de um determinado tipo de clima. Sendo assim para um dimensionamento eficaz do revestimento primário faz-se necessário conhecer o clima ao qual a estrutura estará exposta.
5.3 CLIMA DO ESTADO DE MATO GROSSO
O clima é dado por um conjunto integrado de fenômenos que se relacionam no tempo e no espaço, revelando uma unidade ou tipo podendo ser medidos em seu tamanho ou extensão e em seu ritmo ou duração (Ribeiro, 1993). Em geral, a temperatura do ar e as precipitações podem ser consideradas os principais elementos do clima, pois indicam níveis energéticos e de disponibilidade hídrica de uma determinada região (Rolim et.al, 2007)
Estudos climáticos devem ser desenvolvidos visando relacionar o clima com as atividades realizadas pelo homem, podendo assim ajustá-las as condições climáticas expostas, permitindo aplicar zoneamentos de acordo com estas. Tendo em vista o dimensionamento de pavimentos conhecerem tais condições é de grande importância uma vez que o clima influencia diretamente o desempenho e durabilidade do pavimento.
Mato Grosso localiza-se na região Centro-Oeste do Brasil e se destaca por sua grande extensão territorial que compreende áreas de cerrado, floresta tropical úmida e planície do pantanal, propiciando uma vasta variedade de situações ecológicas econômicas e sociais.
Souza et.al (2003) realizou a classificação climática do Estado de Mato Grosso com base nos métodos de Koppen (1931) e Thornthwaite (1948) utilizando dados de temperatura do ar, precipitação pluvial em tempo superior a 15 anos. Neste estudo obtiveram os valores médios, máximos e mínimos da temperatura do ar e das precipitações durante o ano, como também a caracterização do inverno e verão de acordo com as definições de solstícios e equinócios.
Constata-se que no Estado de Mato Grosso existem duas estações climáticas bem definidas: uma chuvosa entre os meses de outubro a abril, e outra seca de maio a setembro. As precipitações anuais variam de 1200 a 2000 mm sendo as regiões Norte e Médio Norte do estado as com maiores níveis pluviométricos. Assim verifica-se dois tipos climáticos: i) Clima Tropical de Savana: clima tropical com temperaturas médias superiores a 18°C em todos os meses, estação seca no outono/inverno e chuvosa na primavera/verão. Ocorrendo no Norte, Médio Norte e Centro-Sul do estado; ii) Clima Temperado Tropical de Altitude: clima chuvoso com inverno seco onde as temperaturas do mês mais quente são acima de 22°C
ocorrendo na região serrana do estado com altitudes próximas de 800m, na região de São Vicente (Souza et.al, 2013).
5.3 MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DE REVESTIMENTO
PRIMÁRIO
A literatura rodoviária brasileira apresenta-se praticamente destituída de informações e elementos que nos permita realizar o dimensionamento do revestimento primário em estradas de terra de forma confiável e que levem em consideração parâmetros essenciais como demanda por tráfego, resistência das camadas e clima na região.
Tendo em vista este contexto de indisponibilidade de dados e métodos para tal dimensionamento de caráter nacional, explorou-se a bibliografia internacional, mais precisamente a norte-americana, onde foi identificado um manual intitulado “Graves Road Thickness Design Methods”, divulgado em novembro de 2000 e desenvolvido pelo Programa de Assistência ao Transporte da Dakota do Sul (SD-LTAP). Guedes et al (2014) apresentou aos brasileiros os três métodos de dimensionamento descritos no manual desenvolvido pelos norte-americanos.
5.3.1 Método de Dimensionamento 1
O primeiro método apresentado por Guedes et al. (2014) leva em consideração três parâmetros básicos para a determinação da espessura do revestimento: o nível de tráfego, as condições climáticas na região e a qualidade do solo do subleito.
Os níveis de tráfego são definidos em relação ao número de solicitações do eixo padrão de 8,2 ton.
Quando se diz respeito às condições climáticas o método considera seis tipos de clima diferentes:
I – Clima úmido, sem gelo;
II – Clima úmido, com ciclo de gelo e degelo;
III – Clima úmido com gelo intenso, descongelando na primavera; IV – Clima seco, sem gelo;
VI – Clima seco, com gelo intenso, descongelando na primavera
Com relação aos parâmetros do solo, o método utiliza o Índice de Suporte Califórnia (ISC ou CBR – Califórnia Bearing Ratio) esta é a principal maneira de qualificar a resistência do solo quando o mesmo é utilizado para pavimentação. O ensaio de ISC consiste na determinação da relação entre a pressão necessária para produzir uma penetração de um pistão num corpo de prova de solos e a pressão necessária para produzir a mesma penetração numa brita padronizada. O valor dessa relação é expresso em porcentagem e permite determinar a espessura das camadas do pavimento (DNER, 1996). Com estes parâmetros definidos é possível dimensionar o revestimento primário através do método 1.
5.3.2 Método de Dimensionamento 2
O segundo método citado por Skorseth e Selim (2000) é o mais simples dos 3 métodos e considera apenas dois parâmetros para a obtenção da espessura: (i) o volume estimado de veículos pesados trafegando; (ii) capacidade de suporte do subleito, obtida através do ISC.
5.3.3 Método de Dimensionamento 3
O terceiro método descrito é considerado mais complexo, pois leva em consideração vários fatores referentes ao tráfego, resistência do subleito, base e sub-base, clima na região e perda de serventia da superfície.
Por meio desse método pode-se estimar a quantidade de materiais necessários para a construção de uma seção da estrada, orçar os gastos com a mesma e estimar o período necessário para que ocorra a manutenção da seção construída.
Para aplicação do método de dimensionamento proposto vários fatores são considerados na durabilidade do revestimento, sendo eles:
- Futuro tráfego previsto – FTP;
- Módulo resiliente do subleito – MRS;
- Efeito da duração do clima na região – EDCR;
- Modulo de resiliência dos materiais das camadas de base e sub-base; - Perda de serventia da superfície da estrada- PS;
5.3.3.1 Futuro Tráfego Previsto – FTP
O tráfego nas áreas rurais é composto principalmente por automóveis e caminhões, dependendo da região pode haver trânsito de máquinas agrícolas de tração própria. Esse tráfego é muito variável e depende do tipo de atividade desenvolvida na região (Demarchi et al, 2003).
Visto que o pavimento é dimensionado para suportar uma determinada demanda em sua estrutura devido à passagem de veículos, é necessário conhecer o volume de tráfego em um tempo estabelecido de projeto. Este volume deve ser representado em forma de eixo equivalente de carga, resultante do tráfego misto na estrada. O eixo equivalente de carga estabelecido pela AASHTO (American
Association of State Highway anf Transportation Officials) que também é adotado no
Brasil, é visto como um eixo simples com rodas duplas e carga de 8,2 tf por eixo. O FTP é obtido através do cálculo do número N que é definido pelo número de repetições do eixo padrão de 8,2 tf (Figura 6 ) durante a vida útil de projeto que resultaria no mesmo efeito que o tráfego previsto sobre a estrutura.
Figura 6 – Exemplo do eixo padrão rodoviário. Fonte: (DNIT, 2006)
Para determinação do numero N é necessário que se tenha dados relacionados a composição do tráfego a cada categoria de veículos, bem como o peso das cargas transportadas e sua distribuição sobre os eixos dos veículos. Esses dados devem ser obtidos por meio de pesagens e pesquisa de origem e destino, contagem volumétrica e pesquisas de tendência da frota. Segundo o Manual de Estudos de Tráfego do DNIT (2006), o número de operações do eixo padrão é calculado pela Equação 01.
N= ∑𝑎=𝑝𝑎=1𝑁𝑎 Equação 01 Onde,
a= ano no período de projeto
p= número de anos do período de projeto
Na= número equivalente de aplicações do eixo padrão durante o ano a
5.3.3.2 Módulo Resiliente do Subleito e Camada de Base
Tendo em vista que a maioria das obras de Engenharia Civil assentam-se sobre um terreno, o comportamento do solo deve ser devidamente considerado. Os solos são constituídos por um conjunto de partículas com água e ar em seus espaços intermediários, sendo o comportamento do solo dependente do movimento das partículas sólidas entre si (Pinto, 2006).
Quando submetido a um estado de tensão, todo material sofre alguma forma de deformação que quando relacionadas expressam o módulo de resiliência do material. Por meio de estudos de mecânica dos pavimentos é possível obter uma classificação do solo de acordo com suas propriedades resilientes (DNIT, 2006).
Para solos granulares, entendido como aqueles que apresentam menos de 35% em peso de material que passa pela peneira nº 200, o módulo de resiliência é dado pelo modelo:
𝑀𝑅 = 𝐾1 𝑥 𝜎3𝐾2 Equação 02
Sendo:
𝑀𝑅 : Módulo de resiliência correspondente.
𝐾1 𝑒 𝐾 2 : Parâmetros de resiliência determinados em ensaios triaxiais sob tensão de
confinamento 𝜎3.
𝜎3 : Tensão de confinamento.
A partir deste modelo os solos granulares dividem-se em três grupos (A, B e C) conforme aFigura 7.
Figura 7 – Classificação resiliente de solos granulares. Fonte: DNIT (2006)
Dentro desta classificação tem-se que os solos do Grupo A são aqueles com grau de resiliência elevado, onde não devem ser aplicados em estruturas de pavimentos por gerarem subleitos de péssima qualidade. Solos do Grupo B compreende os com grau de resiliência intermediário, podendo ser utilizados como base, sub-base e reforço do subleito. Já solos do Grupo C são vistos como solos de baixo grau de resiliência podendo ser usados em todas as camadas do pavimento.
Em solos finos, aqueles que apresentam mais de 35% em peso do material passando pela peneira nº 200, têm o módulo de resiliência definido pelas Equações 03 e 04.
𝑀𝑅 = 𝐾2 + 𝐾3 (𝐾1− 𝜎𝑑) para 𝜎𝑑 < 𝐾1 Equação 03
𝑀𝑅 = 𝐾2 + 𝐾3 (𝜎𝑑− 𝐾1) para 𝜎𝑑 > 𝐾1 Equação 04 Onde,
𝑀𝑅: Módulo de resiliência correspondente
𝐾1 , 𝐾2 , 𝐾3 𝑒 𝐾4 : Parâmetros de resiliência determinados em ensaios triaxiais de
carregamento sob tensões-desvio 𝜎𝑑. 𝜎𝑑: Tensão-desvio
A partir deste modelo os solos finos podem assumir os seguintes comportamentos
o Solo Tipo I : Bom comportamento quanto a resiliência como subleito e reforço de subleito podendo ser utilizados como camada de sub-base.
o Solo Tipo II : Solo de comportamento regular quanto a resiliência como subleito e reforço de subleito.
o Solo Tipo III: Comportamento ruim quanto a resiliência, não podendo ser empregado em camadas do pavimento.
Como nem sempre podemos dispor de todos os parâmetros necessários para determinar os valores do modulo de resiliência, os solos finos podem ser classificados seguindo o quadro apresentado na Figura 8, com base na porcentagem de silte na fração que passa na peneira nº 200 (S%) e do CBR.
Figura 8 – Classificação dos solos finos Fonte: DNIT (2006)
5.3.3.3 Efeitos da duração do clima na região – EDCR
O clima é visto como um dos principais fatores que afetam o desempenho de um pavimento. O Estado de Mato Grosso conta com duas estações climáticas bem definidas: uma chuvosa entre os meses de outubro a abril, e outra seca de maio a setembro. Baseando-se nas características climáticas da região em foco, tem-se a Figura 9 ilustrando o tempo de duração, em meses, das estações climáticas e a condição correspondente do subleito.
Estações do Ano e as Condições de Subleito Clima Outono/Inverno (Subleito Seco) Primavera/Verão (Subleito Úmido) Tropical de Savana 5 7
Temperado Tropical de Altitude 5 7
Figura 9 – Período de duração das estações do ano no Estado do Mato Grosso Fonte: Adaptado de Skorseth e Selim (2000)
5.3.3.4 Perda de Serventia da Superfície da Estrada - PS
Serventia é vista como uma condição de conforto que o trecho da estrada propicia a seus usuários durante o seu uso, é um parâmetro que indica a condição em que se encontra atualmente a estrada e determina a necessidade de manutenção ou não da superfície da estrada (DNIT, 2006).
A Perda de Serventia (PS) é um importante critério para determinar a necessidade de uma manutenção na via. Esse parâmetro admite valores que variam de 0 a 5, sendo que o valor 0 representando o estado em que se encontra a via é impossível dirigir e o valor 5 indica que a mesma encontra-se em perfeitas condições de tráfego (Guedes et al., 2014).
A Serventia Terminal (ST) é dada pelo menor valor de PS que o motorista pode tolerar antes que ocorra a degradação total da superfície. Comumente os valores adotados para ST é igual a 2,5, podendo ser superior em rodovias principais, e admitir uma valor de 2,0 quando utilizada para estradas de baixo volume. O nível mínimo de serventia depende do critério de aceitação da maioria dos usuários. Através de testes desenvolvidos pela AASHTO estabeleceu os valores de ST apresentados no quadro da Figura 10 (Skorseth e Selim, 2000).
Figura 10 – Relação entre nível de serventia terminal (ST) e aceitações do usuário. Fonte: Skorseth e Selim (2000).
5.3.3.5 Condições Admissíveis da Superfície da Estrada – CASE
A avaliação da qualidade as superfície de rolamento de uma estrada ocorre através da analise de vários fatores e uma deles é a velocidade com que os condutores a percorrem. Vias que apresentam superfícies que apresentam ondulações ao longo das trilhas de roda geralmente levam a trepidações tornando difícil o controle do veículo. Tendo em vista este contexto, ao projetar a estrutura da estrada deve-se optar por uma profundidade admissível das ondulações. Segundo, Skorseth e Selim (2000) o valor típico admissível para ondulações deve possuir, em estradas não pavimentadas, deve estar entre 0,025 m e 0,050 m.
6 METODOLOGIA
6.1 MÉTODO 1
O dimensionamento pelo Método 1 leva em consideração os parâmetros do tráfego atual, ISC do subleito e o clima da região.
Para classificação do tráfego da via em Alto, Médio ou Baixo, serão utilizados os seguintes intervalos:
Tráfego Alto – 60 000 a 100 000 solicitações do eixo padrão;
Tráfego Médio – 30 000 a 60 000 solicitações do eixo padrão;
Tráfego Baixo – 10 000 a 30 000 solicitações do eixo padrão.
Definido o tipo de tráfego da via faz-se necessário determinar através do ISC do subleito a classificação do material de fundação do pavimento, sendo esta apresentada por DNIT (2006) como segue:
Solo Muito Bom – ISC ≥ 30%;
Solo Bom - 20% ≤ ISC ≤ 30%;
Solo Regular – 10% ≤ ISC ≤ 20%;
Solo Fraco – 5% ≤ ISC ≤ 10%;
Solo Muito Fraco – ISC ≤ 5%.
Após a classificação do subleito será definido o clima da região onde a estrada será projetada. Para o Estado de Mato Grosso identifica-se apenas duas das seis regiões climáticas presentes nos Estado Unidos:
A – Clima úmido, sem gelo;
B – Clima seco, sem gelo.
Após a definição destes critérios é possível encontrar a espessura mínima necessária de revestimento primário para as condições de tráfego, solo do subleito e clima para a região estudada. A Figura 11 apresenta o quadro de dimensionamento para cada situação.
Qualidade do Solo do
Subleito Nível de Tráfego
Clima A B Espessura (cm) Muito Bom Alto 20 18 Médio 15 13 Baixo 10 10 Bom Alto 28 25 Médio 20 18 Baixo 10 10 Regular Alto 33 30 Médio 28 25 Baixo 15 13 Fraco Alto 15 13 Médio 15 38 Baixo 23 20 Muito Fraco Alto 23 20 Médio 23 20 Baixo 28 20
Figura 11 – Espessura (cm) sugerida para camada de revestimento primário para o método 1 Fonte: Adaptado de Skorseth e Selim, 2000
6.2 MÉTODO 2
Para a aplicação do Método 2 será necessário conhecer o tráfego da região e a capacidade de suporte do material que compõe o subleito. O tráfego é classificado através da quantidade de veículos pesados que trafegam pela estrada e o material de subleito é avaliado através do ISC ou CBR. A Figura 12 ilustra a espessura sugerida em função do tráfego e do ISC da via.
Figura 12 – Espessuras (cm) sugerida para camada de revestimento primário para o Método 2. Fonte: Skorseth e Selim, 2000
6.3 MÉTODO 3
O cálculo da espessura total do material a ser colocado sobre o subleito através do Método 3 será realizado pelo critério de tentativa e erro. Primeiramente adota-se uma espessura inicial para a camada de base, e será simulada a influência do comportamento mecânico dos materiais, das condições climáticas presentes na região e de determinadas condições exigidas (FTP, OS, CASE ) na estrutura do pavimento a ser construído.
Para a verificação da espessura de revestimento primário adequada para o pavimento a ser projetado, inicialmente deve ser fornecido ao projetista os seguintes dados:
- Futuro tráfego previsto (FTP);
- Índice de Suporte Califórnia (CBR) e porcentagem de argila do subleito; - Módulo de resiliência do material a ser utilizado como base: Ebase;
- Módulo de resiliência do material a ser utilizado como sub-base: Esub-base;
Seguindo o modelo do Manual Gravel Roads (Skorseth e Selim, 2000), é necessário seguir 10 etapas para o dimensionamento da espessura de revestimento primário.
A etapa 1 compreende em adotar uma espessura inicial para a camada de base. Cada espessura adotada irá apresentar uma resposta que será plotado como um ponto com os demais resultados alcançados a fim de formar uma curva do tipo: danos totais x espessura de base. Será necessário no mínimo quatro pontos para que o dimensionamento seja considerado satisfatório, sendo que quanto maior a quantidade de pontos melhor será o ajuste da curva e mais preciso será o dimensionamento.
A segunda etapa de dimensionamento consiste em adotar valores para a perda de serventia de superfície da estrada (PS) e outro para condição admissível da mesma (CASE). Neste estudo serão adotados valores propostos por Skorseth e Selim (2000) para os parâmetros citados:
- Perda de serventia da superfície da estrada: PS = 2,0;
- Condição admissível da superfície da estrada: CASE = 2,0 pol = 0,05m. Determinado os valores de condição de superfície, é necessário analisar o comportamento do solo que farão parte da estrutura da estrada (subleito, sub base e base), para isso é preciso obter os módulos de resiliência de cada uma das camadas.
A caracterização do solo de Mato Grosso com relação ao módulo resiliente é muito precária, não existindo dados suficientes para elaboração deste estudo. Sendo assim para a sua obtenção, será utilizado o método proposto pelo Manual de Pavimentação do DNIT (2006), onde o mesmo correlaciona o ISC do solo com seu módulo de resiliência.
A relação MR/CBR para solos finos coesivos é mais elevada que em solos granulares, já que o módulo de resiliência mede a deformidade elástica do solo e o CBR a resistência do solo saturado. Após a análise dos parâmetros que afetam a relação MR/CBR foram identificados três grupos de solos.
G – Solos com comportamento granular; I – Solos de comportamento intermediário; C – Solos de comportamento coesivo.
A Figura 13 traz em resumo os valores da relação entre o modulo de resiliência e o CBR para cada grupo de solo citado. Sendo assim com o valor do ISC
do solo e a sua porcentagem de argila é possível obter a relação MR/CBR e consequentemente o valor do módulo de resiliência.
Figura 13 – Relação Módulo resiliente / CBR. Fonte: DNIT (2006)
O módulo de resiliência do material da camada de base e sub-base (quando necessário) serão obtidos também através da relação MR/CBR. Segundo especificações do DNIT (2006) os materiais para base devem apresentar ISC ≥ 80%, sendo que para número de repetições do eixo-padrão N ≤ 5 x 106 podem ser empregados materiais com ISC ≥ 60%. Para a sub-base adotar materiais que apresentam ISC ≥ 20%.
Definida as condições dos materiais que irão compor a estrutura do revestimento primário, será definido o tráfego sazonal de veículos, calculado em função do número de solicitações do eixo padrão rodoviário (N), no período de doze meses, e do tempo de cada estação do ano na região onde a estrada está localizada, sendo necessário estimar o número total de solicitações do eixo padrão para o período de um ano, sendo que este valor pode ser determinado pelo método típico de determinação do valor N. Este valor é relacionado com o tempo de duração das estações climáticas atuantes na região, divididas pelo número de meses do ano.
O valor de FTP sazonal é dado pela Equação 05.
𝐹𝑇𝑃𝑠𝑎𝑧𝑜𝑛𝑎𝑙 = 𝐹𝑇𝑃𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑥 (𝑑𝑢𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑎çã𝑜12 ) Equação 05 A próxima etapa do dimensionamento será estimar o número permitido de solicitações de eixo padrão (N) antes da necessidade de manutenção da via para cada estação de acordo com o parâmetro perda de serventia da superfície da estrada (PS).
A determinação do número Nadmissível se dá através do gráfico presente na
Figura 14 realizando a seguinte sequência de operação: 1) espessura da camada de base; 2) Módulo de resiliência do material de base (Ebase); 3) Módulo de resistência
sazonal do subleito (MRsubleito); 4) Perda de serventia da superfície da estrada (PS);
5) Número de solicitações estimado antes da necessidade de manutenção.
Figura 14 – Gráfico de determinação do número permitido de solicitações do eixo padrão com base no parâmetro perda de serventia (PS).
Fonte: Skorseth e Selim (2000).
A partir desta etapa será elaborada uma planilha ilustrada na Figura 15 para a organização dos dados e realização dos cálculos para cada uma das espessuras de camadas de base estimadas.
Espessura Adotada da Camada de Base: Perda de Serventia (PS): 2,0 Condições Admissíveis da Superfície da Estrada: 2,00 pol Colunas 1 2 3 4 5 6 7 8 Clima Condições do Subleito MRS (psi) Ebase (psi) FTP Tráfego Admissível Danos Sazonais Tráfego Admissível Danos Sazonais Inverno Verão Tráfego Total (FTP)= Somatório dos Danos: Somatório dos Danos: Figura 15 – Planilha para aplicação do método de dimensionamento.
O dano sazonal, considerando o parâmetro perda de serventia é obtido dividindo o tráfego sazonal de veículos (FTPsazonal), da coluna 04, pelo tráfego
admissível antes da necessidade de manutenção (Nadmissivel) da coluna 05.
O resultado desta divisão é colocado na coluna 06, e em seguida realiza-se o somatório dos danos, que representa o dano total sofrido pela superfície da estrada no período de um ano.
Definido o dano total sofrido pela superfície é necessário determinar o número Nadmissivel, em função da profundidade das ondulações existentes na superfície da
estrada (CASE). Utilizando-se do ábaco da Figura 16 realizam-se as seguintes operações: 1) Espessura da camada de base; 2) Profundidade das ondulações (CASE); 3) Módulo de resiliência sazonal do subleito (MRsubleito); 4) Módulo de
resiliência do material da camada de base (MRbase); 5) Número de solicitações (N)
estimado antes da necessidade de manutenção.
Figura 16 – Gráfico de determinação do número permitido de solicitações do eixo padrão com base na profundidade das ondulações (CASE).
Fonte: Skorseth e Selim, (2000)
Para obtenção do dano sazonal, considerando o parâmetro profundidade das ondulações, basta dividir o tráfego sazonal de veículos (FTP) presente na coluna 04, pelo tráfego que requer a necessidade da atividade de manutenção obtida no passo anterior, apresentado na coluna 07.
O resultado desta divisão é colocado na coluna 08, e em seguida faz-se o somatório dos danos totais sofridos pela superfície da estrada no período de um ano.
A obtenção da espessura final da camada de revestimento primário se dá inicialmente pela construção de um gráfico contendo o somatório dos danos totais, tanto para o número (N) de solicitações que não provocam deterioração significativa quanto para as que provocam, sem função de cada espessura adotada.
A Figura 17 traz um exemplo de gráfico após a aplicação do método. A curva representada pela linha vermelha diz respeito à deterioração sofrida pela superfície da estrada diante do número de solicitações do eixo padrão levando em consideração a perda de serventia (PS). Já a segunda curva, de cor azul, representa a deterioração total sofrida pela superfície da estrada devido ao tráfego considerando o parâmetro da condição admissível da superfície da estrada (CASE).
Figura 17 – Danos totais em função da espessura da base para os critérios de serventia e deterioração.
Fonte: Guedes et al., (2014).
Quando o grau de deterioração do pavimento admite valores menores que 100% no período de vida útil de 12 meses, considera-se que o pavimento foi superdimensionado. Por outro lado, quando o grau de deterioração assume valores maiores que 100% durante o período de vida útil indica que a estrutura do pavimento foi subdimensionada necessitando de manutenção da superfície antes do período estabelecido em projeto. Por último, se o grau de deterioração do pavimento for igual a 100 indica que a estrutura foi corretamente dimensionada, pois, para as condições
de projeto, o pavimento obteve uma degradação suficiente para que no final de sua vida útil necessitasse de manutenção.
Sendo assim, a espessura que admitir grau de deterioração de 100% é definida como a espessura de projeto. Portanto, a espessura média da camada de base é determinada por meio da interpolação gráfica correspondente ao valor da espessura de base quando o critério de danos totais é igual a 1,0.
Tendo em vista a redução de custos para a execução do projeto, em algumas situações torna-se economicamente viável inserir sob a camada de base, um material com comportamento mecânico inferior, e de menor custo, como camada de sub-base. Para transformar parte da espessura da base em uma espessura equivalente de sub-base, utiliza-se do ábaco representado na Figura 18 sendo necessários os seguintes parâmetros:
- Obter a espessura total da camada de base;
- Adotar a espessura fixa da camada de base (escolhida arbitrariamente); - Verificar a espessura a ser substituída da camada de base;
- Conhecer o módulo de resiliência do material de base e sub-base
Figura 18 – Ábaco de conversão de parte da espessura da camada de base em espessura equivalente de sub-base.
Tendo em mãos os parâmetros necessários recorre-se ao ábaco obedecendo a seguinte sequência:
- Encontrar no ábaco o valor da espessura fixa da base, e pela horizontal, chega-se a linha que representa o módulo de resiliência do material da camada de sub-base;
- Na vertical deste ponto obtém-se a orientação da segunda seta com base nesses dois parâmetros citados, determina-se a espessura da base que será substituída;
- Após obter a orientação da terceira seta, por ultimo, escolhe-se o módulo de resiliência da camada de base;
- Por fim, após obter a orientação da quarta seta, prolonga-se a mesma até interceptar o eixo da espessura requerida de sub-base. Define-se assim a espessura final do revestimento primário através do Método 3.
6.4 VERIFICAÇÃO DOS MÉTODOS
Para a verificação dos métodos, serão coletados informações referentes ao tráfego, subleito e clima das estradas de terra da região norte do estado do Mato Grosso.
Devido a dificuldade em estimar o número de solicitações de eixo padrão para as rodovias serão utilizados neste estudo os valores limites para tráfego Leve, Médio e Pesado, definido por DNIT (2006).
Tráfego Leve N até 5 x 105
Tráfego Médio N maior ou igual a 5 x 105 até 5 x 107 Tráfego Pesado N maior ou igual a 5 x 107
Os dados de capacidade de suporte do subleito serão obtidos junto a empresas que executam pavimentos na região Norte do Estado e estudos de caracterização já realizados pela Universidade do Estado de Mato Grosso.
A partir desta coleta os dados serão analisados e será feito o dimensionamento do revestimento primário através dos Métodos 1, 2 e 3 descritos anteriormente, verificando assim se os métodos se aplicam para as condições do norte do Estado de Mato Grosso.
7 CRONOGRAMA
ATIVIDADES
ANO 2015/2016
NOV DEZ JAN FEV MAR ABR MAI JUN Escolha do tema e do orientador Encontros com o orientador Pesquisa bibliográfica preliminar Leituras e elaboração de resumos Elaboração do projeto Entrega do projeto de pesquisa Revisão bibliográfica complementar Redação da monografia Revisão e entrega oficial do trabalho Apresentação do trabalho em banca
8 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO
Demarchi, L. C. et al. Adequação de Estrada Rurais. Campinas: CATI, 2003.
Departamento Nacional de Infraestrutura e Transportes – DNIT. Diretoria de
Planejamento e Pesquisa. Coordenação Geral de Estudo e Pesquisas. Instituto de Pesquisas Rodoviárias. Manual de Pavimentação. 3ª Edição. Rio de Janeiro, 2006
Departamento Nacional de Estradas e Rodagem – DNER. Manual de
Pavimentação.1996.Disponivel em:
http://www.coenge.ufcg.edu.br/download/Download_207.pdf. Acessado em 20/10/2015
Guedes, S. B. Método de dimensionamento da espessura do revestimento das
estradas de terra. Geotecnia n.131, 2014.
Instituto Nacional de Meteorologia – INMET. Banco de dados meteorológicos para
ensino e pesquisa. Disponível em:
http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=bdmep/bdmep. Acessado em 15/10/2015
Pinto, C. S. Curso Básico de Mecânica dos Solos. 3ª Edição. São Paulo: Oficina de Textos, 2006.
Rolim, G. S. et al. Classificação climática de Koppen e Thornthwaite e sua
aplicabilidade na determinação de zonas agroclimáticas para o estado de São Paulo.
Bragantina. Campinas. v.06 n.4, 2007.
Santos, A. P. et al. Estradas Vicinais de Terra: Manual técnico para conservação e
recuperação. São Paulo: IPT. 1985.
Skorseth, K; Selim, A.A. Gravel Roads: Maintenance and Desing Manual. U.S. Dept. of Transportation, Federal Highway Administration, 2000.
Souza, A. P. et al. Classificação climática e balanço hídrico climatológico no estado
