UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo
LÚCIA MARIA PESSOA DE OLIVEIRA
INFLUÊNCIA DA RESISTÊNCIA DO SUBLEITO E
INTENSIDADE DO TRÁFEGO NO
DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS
FLEXÍVEIS NO BRASIL
CAMPINAS 2019
INFLUÊNCIA DA RESISTÊNCIA DO SUBLEITO E
INTENSIDADE DO TRÁFEGO NO
DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS
FLEXÍVEIS NO BRASIL
Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da UNICAMP, para obtenção do título de Mestra em Engenharia Civil, na área de Transportes.
Orientador(a): Prof. Dr. Cassio Eduardo Lima de Paiva
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA LÚCIA MARIA PESSOA DE OLIVEIRA E ORIENTADA PELO PROF. DR. CASSIO EDUARDO LIMA DE PAIVA.
ASSINATURA DO ORIENTADOR
______________________________________
CAMPINAS 2019
Oliveira, Lúcia Maria Pessoa,
OL4i OliInfluência da resistência do subleito e intensidade do tráfego no
dimensionamento de pavimentos flexíveis no Brasil / Lúcia Maria Pessoa de Oliveira. – Campinas, SP : [s.n.], 2019.
OliOrientador: Cassio Eduardo Lima de Paiva.
OliDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo.
Oli1. Pavimento flexível. 2. Desenho (Engenharia) - Dimensionamento. 3. Engenharia de tráfego. 4. Tráfego. 5. Fundação (Engenharia). I. Paiva, Cassio Eduardo Lima, 1953-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Influence of the subgrade resistance and of the traffic intensity in flexible pavements in Brazil
Palavras-chave em inglês: Flexible pavement
Pavements - Design and construction Traffic engineering
Traffic
foundation (Engineering)
Área de concentração: Transportes Titulação: Mestra em Engenharia Civil Banca examinadora:
Cassio Eduardo Lima de Paiva [Orientador] Maria Teresa Françoso
Carlos Yukio Suzuki
Data de defesa: 22-08-2019
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Civil
Identificação e informações acadêmicas do(a) aluno(a)
- ORCID do autor: https://orcid.org/0000-0002-5873-1397 - Currículo Lattes do autor: http://lattes.cnpq.br/6715282630097965
INFLUÊNCIA DA RESISTÊNCIA DO SUBLEITO E
INTENSIDADE DO TRÁFEGO NO DIMENSIONAMENTO DE
PAVIMENTOS FLEXÍVEIS NO BRASIL
Lúcia Maria Pessoa de Oliveira
Dissertação de Mestrado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:
Prof. Dr. Cassio Eduardo Lima de Paiva Presidente e Orientador - FEC / UNICAMP
Profa. Dra. Maria Teresa Françoso FEC / UNICAMP
Prof. Dr. Carlos Yukio Suzuki USP – Universidade de São Paulo
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria do Programa da
Unidade.
Para as minhas avós, Maria Delvina e Maria do Carmo, que não tiveram a oportunidade, mas sempre me incentivaram a estudar.
Agradeço:
Ao meu orientador, Cassio Eduardo Lima de Paiva, pela orientação, conselhos, incentivo na elaboração de artigos e participação em congressos, além da confiança
durante toda essa jornada.
Aos meus pais e irmã, padrinhos e primos, que compreenderam minhas faltas e negativas a alguns programas familiares, principalmente na reta final.
Às maravilhosas amigas Mariana Gigliotti e Gianina Massenlli, que foram essenciais para aqueles momentos de mais tensão e preocupação, pela amizade, conversas e companhia, que serão sempre lembradas quando eu pensar nessa etapa da minha
O pavimento flexível é bastante utilizado no Brasil e, apesar de ser dimensionado para um período de dez anos, é comum que apresente vida útil reduzida e defeitos não saneáveis pela manutenção. Assim, pode-se supor que o defeito tenha origem congênita, no projeto do pavimento. No dimensionamento de pavimentos novos, os principais parâmetros considerados são: a resistência do subleito, o tráfego solicitante, o clima e os materiais disponíveis na região. No momento do projeto, podem existir incertezas referentes aos parâmetros que devem ser observados pelos projetistas na busca de garantir uma vida útil adequada à estrutura. Assim, o presente estudo visou avaliar as variáveis referentes à resistência do subleito e à intensidade do tráfego, nos procedimentos de dimensionamento DNIT (versão 2006) e AASHTO (versão 1993), analisando a sensibilidade desses parâmetros. Para a análise da resistência do subleito, avaliou-se a variação do CBR com a modificação da umidade de compactação, dentro da tolerância de ±2% da umidade ótima, e a resposta estrutural de pavimentos dimensionados para um subleito de boa resistência com diminuição desta característica em campo. Para a intensidade do tráfego, foi analisado o efeito da adoção de diferentes taxas de crescimento do tráfego e a resposta estrutural de pavimentos com a variação da configuração e carga dos eixos, e da pressão de inflação dos pneus. As tensões e deformações foram calculadas pelo software Elsym5. Por meio das análises foi possível estabelecer quais são os parâmetros mais importantes para cada procedimento de dimensionamento, e a importância das variações da umidade e das características dos veículos na resistência do subleito e na intensidade do tráfego, permitindo ao projetista saber a quais fatores deve atentar-se para garantir uma vida útil adequada para a estrutura.
Flexible pavement is used widely in Brazil, and even though it is designed to last for ten years, a shorter service life and defects which cannot be corrected with maintenance are common. Therefore, it could be assumed that the defect is inherent to the pavement design. The main parameters considered when designing new pavement are: the resistance of the subgrade, traffic load, climate and materials available in the region. During the design phase, there could be uncertainties in regard to the parameters which the designer should take into account in order to guarantee an acceptable service life for the structure. As such, the purpose of this study is to evaluate the variables in relation to the resistance of the subgrade and traffic intensity in the DNIT (2006 edition) and AASHTO (1993 edition) design procedures, analyzing the sensitivity of these parameters. To analyze subgrade resistance, CBR variations were analyzed in relation to modifications in the compacting moisture, within a tolerance of ±2% of optimal moisture, and the structural response of pavements designed for a subgrade with good resistance in relation to a decrease in this parameter in the field. For traffic intensity, the effect of adopting different traffic growth rates was analyzed, as well as the structural response of pavements in relation to different axle configurations and loads, and tire inflation pressure. Stress and strain were calculated using the Elsym5 software. From these analyses it was possible to establish the most important parameters for each design procedure and the importance of variations in moisture content and vehicle characteristics on subgrade resistance and traffic intensity, enabling the designer to know which factors should be regarded to guarantee an acceptable service life for the structure.
Figura 1.1: Matriz de Transporte de Cargas Brasileira – Movimentação Anual em 2018 ... 22 Figura 1.2: Malha Rodoviária Brasileira – 2017 ... 23 Figura 1.3: Malha Rodoviária Brasileira por administração – 2015 ... 23 Figura 2.1: Aba de cálculo do Fator de Veículo (DNIT) – Programa MeDiNa (2019) 48 Figura 4.1: Representação gráfica da variação do CBR do subleito em relação à
umidade na compactação ... 84 Figura 4.2: Variação do fator de equivalência de carga mecanístico pela deflexão do
pavimento, associado à perda de resistência do subleito do pavimento 88 Figura 4.3: Variação do fator de equivalência de carga mecanístico pela tração sob a
capa asfáltica, associado à perda de resistência do subleito do
pavimento ... 88 Figura 4.4: Procedimento de 2006 do DNIT - Sensibilidade da Resistência do
Subleito ... 90 Figura 4.5: Procedimento de 2006 do DNIT - Sensibilidade da Resistência do
Subleito – Número NU = 107 ... 91
Figura 4.6: Procedimento de 2006 do DNIT – Sensibilidade do Fator Regional (FR)92 Figura 4.7: Procedimento de 2006 do DNIT – CBR relativo em relação ao Fator
Regional (FR) adotado ... 93 Figura 4.8: Procedimento de 1993 da AASHTO - Sensibilidade da Resistência do
Subleito ... 95 Figura 4.9: Procedimento de 1993 da AASHTO - Sensibilidade da Resistência do
Subleito – Número NA = 3,80 x 106 ... 95
Figura 4.10: Procedimento de 1993 da AASHTO – Sensibilidade da espessura do pavimento em relação ao coeficiente de drenagem adotado ... 98 Figura 4.11: Procedimento de 1993 da AASHTO – Módulo de Resiliência relativo em razão do coeficiente de drenagem adotado ... 100 Figura 4.12: Dados estatísticos do tráfego de veículos pesados nos pedágios da
SP330, e estimativas de crescimento do em progressão geométrica e aritmética ... 102 Figura 4.13: Dados estatísticos da ABCR (2018), de tráfego de veículos pesados
pedagiados no Brasil e no estado de São Paulo, e estimativas de
crescimento do em progressão geométrica e aritmética ... 102 Figura 4.14: Dados estatísticos de frota da DENATRAN (2018), de veículos pesados no Brasil, e estimativas de crescimento do em progressão geométrica e aritmética ... 103 Figura 4.15: Fatores de equivalências de carga mecanísticos referente à tração sob
pavimento – Pavimento de referência DNIT (versão 2006) ... 124 Figura 4.18: Fatores de equivalências de carga mecanísticos referente à deflexão do
pavimento – Pavimento de referência AASHTO (versão 1993) ... 124 Figura 4.19: Procedimento de 2006 do DNIT - Sensibilidade do Número de
Solicitações de Tráfego NU ... 132
Figura 4.20: Procedimento de 2006 do DNIT – Sensibilidade do Número de
Solicitações de Tráfego NU – CBR = 10% ... 133
Figura 4.21: Procedimento de 1993 da AASHTO - Sensibilidade do Número de Solicitações de Tráfego NA ... 134
Figura 4.22: Procedimento de 1993 da AASHTO - Sensibilidade do Número de Solicitações de Tráfego NA – CBR = 10 ... 134
Figura 4.23: Procedimento de 1993 da AASHTO - Sensibilidade do Nível de
Confiabilidade (R) e Desvio Padrão Associado (S0) ... 137
Figura 4.24: Aumento da espessura do pavimento entre os Nível de Confiabilidade R=50% e os demais níveis analisados, variando o desvio padrão
associado ... 137 Figura 4.25: Procedimento de 1993 da AASHTO - Sensibilidade do Nível de
Confiança (R) ... 138 Figura 4.26: Aumento da espessura do pavimento entre os Nível de Confiança
R=50% e os demais Níveis de Confiança analisados ... 139 Figura 4.27: Procedimento de 1993 da AASHTO - Sensibilidade do Desvio Padrão
Associado (S0) ... 140
Figura 4.28: Procedimento de 1993 da AASHTO - Sensibilidade da Serventia
Inicial (p0) e Final (pt) do pavimento ... 142
Figura 4.29: Procedimento de 1993 da AASHTO - Sensibilidade da Serventia
Inicial (p0) – Serventia Final (pt) = 2,5 ... 142
Figura 4.30: Procedimento de 1993 da AASHTO - Sensibilidade da Serventia
Final (pt) ... 143
Figura 4.31: Procedimento de 1993 da AASHTO - Sensibilidade da Serventia
Final (pt) – Serventia Inicial (p0) = 4,2... 144
Figura 4.32: Procedimentos DNIT (versão 2006) X AASHTO (versão 1993) -
Sensibilidade da Resistência do Subleito ... 147 Figura 4.33: Procedimentos DNIT (versão 2006) X AASHTO (versão 1993) -
Sensibilidade da Intensidade do Tráfego ... 148 Figura 4.34: Procedimento de 1993 da AASHTO - Sensibilidade da Resistência do
Subleito – Comparação dos pavimentos com níveis de confiança R de 90% e 50% ... 150
Figura 4.36: Procedimentos DNIT (versão 2006) X AASHTO (versão 1993) com R=50% - Sensibilidade da Resistência do Subleito ... 152 Figura 4.37: Procedimentos DNIT (versão 2006) X AASHTO (versão 1993) com
R=50% - Sensibilidade da Intensidade do Tráfego ... 152 Figura 4.38: Procedimentos DNIT (versão 2006) X AASHTO (versão 1993) -
Sensibilidade da Resistência do Subleito – Tráfego Meio Pesado (NU =
107 e NA = 3,8x106) ... 153
Figura 4.39: Procedimentos DNIT (versão 2006) X AASHTO (versão 1993) -
Tabela 1.1: Classificação do pavimento – CNT 2017 ... 24 Tabela 2.1: Fatores climáticos regionais (FR) sugeridos para o Brasil ... 39 Tabela 2.2: Desvio normal padrão Zr, de acordo com o Nível de Confiabilidade R do
Projeto – Procedimento de 1993 da AASHTO ... 42 Tabela 2.3: Coeficientes de equivalência estrutural dos materiais – Procedimento de 1993 da AASHTO ... 43 Tabela 2.4: Coeficientes de drenagem – Procedimento de 1993 da AASHTO ... 43 Tabela 2.5: Espessura Mínima das Camadas dos Pavimentos – Procedimento de
1993 da AASHTO ... 45 Tabela 2.6: Confiabilidade e critérios de dimensionamento de pavimentos de acordo com o tipo de via – Programa MeDiNa (2019) ... 49 Tabela 2.7: Resumo dos resultados dos estudos apresentados sobre o efeito da
variação da resistência do subleito com a variação da umidade... 57 Tabela 2.8: Configurações de eixos e limites de carga permitidos no Brasil – Parte I
... 65 Tabela 2.9: Configurações de eixos e limites de carga permitidos no Brasil – Parte II
... 66 Tabela 4.1: Número N considerados nas análises comparativas – N USACE e N
AASHTO correspondentes ... 78 Tabela 4.2: Módulo de Resiliência considerado na comparação entre os métodos de dimensionamento em relação ao CBR do solo ... 78 Tabela 4.3: Exemplo das amostras de solos para análise da variação do CBR para a
variação da umidade ótima dentro da tolerância permitida na
compactação ... 82 Tabela 4.4: Resultado da variação do CBR com a modificação da umidade de
compactação ... 84 Tabela 4.5: Pavimentos de referência utilizados na análise dos efeitos da variação
de resistência do subleito em termos de CBR... 85 Tabela 4.6: Módulos de resiliência considerados na variação de resistência do
subleito em termos de CBR... 85 Tabela 4.7: Deflexão do pavimento e tração sob a capa asfáltica com a variação do
CBR – Pavimento de referência DNIT (versão 2006) ... 87 Tabela 4.8: Deflexão do pavimento e tração sob a capa asfáltica com a variação do
CBR – Pavimento de referência AASHTO (versão 1993) ... 87 Tabela 4.9: Análise de Sensibilidade do procedimento de 2006 do DNIT: Resumo –
Espessura do pavimento (cm) ... 89 Tabela 4.10: Análise de Sensibilidade do Procedimento de 2006 do DNIT: Fator
Regional (FR) – Espessura total equivalente do pavimento e variação da espessura em relação ao FR=1 ... 91
Resumo – Espessura do pavimento (cm) ... 94 Tabela 4.13: Coeficientes de drenagem adotados na análise– Procedimento de 1993
da AASHTO ... 96 Tabela 4.14: Espessura da camada de base, considerando diferentes coeficientes
de drenagem – Procedimento de 1993 da AASHTO ... 97 Tabela 4.15: Espessura equivalente dos pavimentos com a modificação dos
coeficientes de drenagem – Procedimento de 1993 da AASHTO ... 97 Tabela 4.16: Variação da espessura dos pavimentos, em relação ao coeficiente de
drenagem m = 1 – Procedimento de 1993 da AASHTO... 98 Tabela 4.17: Módulo de Resiliência relativo em razão do coeficiente de drenagem
adotado – Procedimento de 1993 da AASHTO ... 99 Tabela 4.18: Cálculo do Número NU para 10 e 20 anos, em progressão geométrica e
aritmética ... 101 Tabela 4.19: Características dos pavimentos de referência utilizados na análise da
influência do tráfego ... 104 Tabela 4.20: Resumo das geometrias e cargas dos eixos analisados ... 107 Tabela 4.21: Análise das geometrias e cargas dos eixos – Tração sob a capa
asfáltica - Pavimento de referência DNIT (versão 2006) ... 109 Tabela 4.22: Análise das geometrias e cargas dos eixos – Tração sob a capa
asfáltica - Pavimento de referência AASHTO (versão 1993) ... 112 Tabela 4.23: Análise das geometrias e cargas dos eixos – Deflexão do pavimento -
Pavimento de referência DNIT (versão 2006) ... 118 Tabela 4.24: Análise das geometrias e cargas dos eixos – Deflexão do pavimento -
Pavimento de referência AASHTO (versão 1993) ... 121 Tabela 4.25: Pressões de inflação do pneu analisadas ... 125 Tabela 4.26: Análise da variação da pressão de inflação dos pneus – Tração sob a
capa asfáltica - Pavimento de referência DNIT (versão 2006) ... 128 Tabela 4.27: Análise da variação da pressão de inflação dos pneus – Tração sob a
capa asfáltica - Pavimento de referência AASHTO (versão 1993) ... 129 Tabela 4.28: Análise da variação da pressão de inflação dos pneus – Deflexão do
pavimento - Pavimento de referência DNIT (versão 2006) ... 130 Tabela 4.29: Análise da variação da pressão de inflação dos pneus – Deflexão do
pavimento - Pavimento de referência AASHTO (versão 1993) ... 131 Tabela 4.30: Análise de Sensibilidade do procedimento de 1993 da AASHTO: Nível
de Confiança (R) e Desvio Padrão Associado (S0) ... 136
Tabela 4.31: Análise de Sensibilidade do procedimento de 1993 da AASHTO: Desvio Padrão Associado (S0) ... 139
Tabela 4.33: Espessuras do Pavimento calculadas para os procedimentos
DNIT (versão 2006) e AASHTO (versão 1993) ... 146 Tabela 5.1: Fatores de equivalência de carga relativos à perda de resistência do
subleito com o aumento da umidade, para os pavimentos de referência analisados ... 156 Tabela 6.1: Razão entre os fatores de equivalência dos eixos de geometrias não
-consideradas nos procedimentos de dimensionamento estudados e dos eixos utilizados para simplificação ... 164
AASHO American Association of State Highway
AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials APTP Área de Pesquisas e Testes de Pavimentos
CBR California Bearing Ratio (Índice de Suporte Califórnia) CBUQ Concreto betuminosos usinado à quente
CENPES Centro de Pesquisas da Petrobrás CNT Confederação Nacional do Transporte CONTRAN Conselho Nacional de Trânsito
COPPE Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia, UFRJ
DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem
DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes EDRD Eixo duplo de rodagem dupla
EDRM Eixo duplo de rodagem mista EDRS Eixo duplo de rodagem simples ESRD Eixo simples de rodagem dupla ESRS Eixo simples de rodagem simples EUA Estados Unidos da América
IPR Instituto de Pesquisas Rodoviárias
LVDT Transdutor mecânico-eletromagnético “linear variable differential transformer”
MeDiNa Método de Dimensionamento Nacional
MEPDG Mechanistic-Empirical Procedure Design Guide
NA Número de operações por eixo de 18.000 lb, ou 8,17 toneladas,
calculado em equivalências AASHTO;
NCHRP National Cooperative Highway Research Program
NU Número de operações por eixo de 18.000 lb, ou 8,17 toneladas,
calculado em equivalências USACE; PRF Polícia rodoviária federal
TTREL Eixo tandem triplo de rodagem simples extralarga UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro USACE United States Army Corps of Engineers wot Umidade ótima
a1 Coeficientes estruturais dos materiais componentes da camada de
revestimento do pavimento
a2 Coeficientes estruturais dos materiais componentes da camada de base do
pavimento
a3 Coeficientes estruturais dos materiais componentes da camada de
sub-base do pavimento
CBR Resistência do material, obtida através do ensaio CBR
D1 Espessura da camada estrutural do revestimento do pavimento
D2 Espessura da camada estrutural da base do pavimento
D3 Espessura da camada estrutural da sub-base do pavimento
Di Deflexão máxima recuperável para o eixo i
dij Dano unitário de determinado eixo, de acordo com a sua carga i e sua
configuração j
Dp Deflexão do pavimento dp Dano unitário do eixo padrão
Dp Deflexão máxima recuperável para o eixo padrão
Et Tração sob a capa asfáltica
ɛR Deformação específica vertical recuperada ou resiliente
ɛt Deformação de tração sob a camada asfáltica
ɛti Deformação de tração sob a camada asfáltica para o eixo i
ɛtp Deformação de tração sob a camada asfáltica para o eixo padrão
FC Fator de equivalência de carga
FCe Fator de equivalência de carga do eixo e
FCi Fator de carga para o eixo i
FCij Fator de equivalência de carga, de determinado eixo, com a sua carga i e
sua configuração j
Fd Fator direcional, percentual de tráfego na faixa e sentido mais carregados
FR Fator climático regional;
FRc Fator climático regional para os meses de chuva
FRs Fator climático regional para os meses de seca
H20 Espessura do pavimento para proteção da sub-base
h20 Espessura da camada de sub-base
hB Espessura da camada de base
Hm Espessura do pavimento para proteção do subleito
Hn Espessura do pavimento para proteção do reforço do subleito
hn Espessura da camada de reforço do subleito.
hR Espessura da camada de revestimento
Ht Espessura total equivalente em brita
K Coeficiente de equivalência estrutural
KB Coeficientes de equivalência estrutural da base
KR Coeficientes de equivalência estrutural do revestimento
KRef Coeficientes de equivalência estrutural do reforço do subleito
KS Coeficientes de equivalência estrutural da sub-base
LL Limite de liquidez LP Limite de plasticidade
m2 Coeficiente de drenagem da camada de base
m3 Coeficiente de drenagem da camada de sub-base
mc Número de meses chuvosos
Mr Módulo de resiliência
ms Número de meses secos
mt Número de meses de clima intermediário
NA Número de operações por eixo de 18.000 lb, ou 8,17 toneladas, calculado
em equivalências AASHTO;
Nf Número N de repetições para a falha de fadiga
Nij Número N de repetições de determinado eixo, de acordo com a sua carga i
e sua configuração j, para a vida útil do pavimento
Np Número N de repetições do eixo padrão para a vida útil do pavimento
NU Número de operações por eixo de 18.000 lb, ou 8,17 toneladas, calculado
Pi Proporção do número de veículos i no tráfego de veículos pesados
pt Índice de serventia final do pavimento
Q Carga do eixo analisado
R Nível de confiança do dimensionamento do pavimento
S0 Desvio padrão associado ao tipo de pavimento dimensionado
SN Número estrutural do pavimento;
SNb Número estrutural do pavimento para proteção da camada de base
SNsb Número estrutural do pavimento para proteção da camada de sub-base
SNsg Número estrutural do pavimento para proteção do subleito
VDM volume diário médio
Zr Desvio normal padrão tomado de acordo com o nível de confiança R de
projeto
wot Umidade ótima
Δh Deformação resiliente registrada no computador σd Tensão-desvio
σi Tração sob a camada asfáltica para o eixo i
1 INTRODUÇÃO ... 22
1.1 PROPOSTA DA PESQUISA ... 22
1.2 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO ... 27
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 29
2.1 FUNÇÃO DOS PAVIMENTOS E FATORES QUE AFETAM O SEU DIMENSIONAMENTO .... 29
2.2 PROCEDIMENTOS DE DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS ESTUDADOS ... 34
2.2.1 Procedimento do DNIT (versão 2006) ... 36
2.2.2 Procedimento da AASHTO (versão 1993) ... 40
2.2.3 Novo procedimento de dimensionamento de pavimentos brasileiro – Software MeDiNa ... 45
2.2.4 Breve comparação entre os procedimentos de dimensionamento ... 49
2.3 OSUBLEITO NO PAVIMENTO FLEXÍVEL ... 50
2.3.1 Determinação da Resistência do Subleito em Laboratório ... 50
2.3.2 Fatores que afetam a resistência do subleito ... 52
2.4 INFLUÊNCIA DO TRÁFEGO NO PAVIMENTO FLEXÍVEL ... 57
2.4.1 Estimativas de Crescimento do Tráfego ... 58
2.4.2 Fatores de equivalência de carga ... 59
2.4.3 Geometria e carga dos eixos ... 63
2.4.4 Pressão de Inflação do Pneu ... 67
2.4.5 Pneu com Superlargura ... 69
2.4.6 Sobrecarga dos Eixos ... 70
2.5 AVALIAÇÃO CRÍTICA DA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 73
3 METODOLOGIA E ESTUDOS PROPOSTOS ... 75
4 ANÁLISES PARAMÉTRICAS DAS VARIÁVEIS ... 77
4.1 CONSIDERAÇÕES PARA COMPARAÇÃO DOS DIMENSIONAMENTOS ... 77
4.2 PROCEDIMENTOS DE DIMENSIONAMENTO ESTUDADOS ... 78
4.2.1 Procedimento do DNIT (versão 2006) ... 78
4.2.2 Procedimento de 1993 da AASHTO ... 79
4.3 INFLUÊNCIA DO SUBLEITO ... 80
4.3.1 Influência do teor de umidade na compactação do subleito ... 80
4.3.2 Efeito da queda da resistência do subleito no pavimento ... 84
4.3.3 Caracterização da Resistência do Subleito no procedimento do DNIT (versão 2006) ... 89
4.3.4 Caracterização da Resistência do Subleito no procedimento da AASHTO (versão 1993) ... 93
4.4 INFLUÊNCIA DO TRÁFEGO ... 100
(versão 2006) ... 132
4.4.5 Caracterização da intensidade do tráfego no procedimento da AASHTO (versão 1993) ... 133
4.5 INFLUÊNCIA DE OUTROS PARÂMETROS ... 135
4.6 COMPARAÇÃO ENTRE OS PROCEDIMENTOS ANALISADOS ... 144
5 ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS ... 156
5.1 INFLUÊNCIA DA RESISTÊNCIA DO SUBLEITO ... 156
5.2 INFLUÊNCIA DA INTENSIDADE DO TRÁFEGO... 157
5.3 AVALIAÇÃO COMPARATIVA ENTRE AS VARIÁVEIS DE DIMENSIONAMENTO DO DNIT (VERSÃO 2006) ... 160
5.4 AVALIAÇÃO COMPARATIVA ENTRE AS VARIÁVEIS DO PROCEDIMENTO DE DIMENSIONAMENTO DA AASHTO(VERSÃO 1993)... 161
6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ... 163
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 168
APÊNDICE A – CÁLCULO DO NÚMERO N ... 176
COMPOSIÇÃO DE VEÍCULOS E CARGAS PARA DETERMINAÇÃO DO NÚMERO N ... 177
EXEMPLO DE CÁLCULO ... 178
APÊNDICE B - ANÁLISE UMIDADE X CBR ... 182
AREIAS ... 183
ARGILAS ... 185
SILTES ... 187
APÊNDICE C - ANÁLISE RESPOSTA ELÁSTICA DO PAVIMENTO – VARIAÇÃO DO CBR ... 188
PAVIMENTO DE REFERÊNCIA –DNIT(VERSÃO 2006) ... 188
1 INTRODUÇÃO
1.1 Proposta da Pesquisa
O setor de transportes deve proporcionar a acessibilidade e a mobilidade de pessoas e bens, e viabilizar o progresso de diversos setores, sendo importante na economia do país (COLAVITE e KONISHI, 2015).
Na matriz de transportes brasileira, no que se refere ao transporte de cargas, apresentada no Boletim Estatístico da Confederação Nacional do Transporte – CNT (CNT, 2019a), o transporte rodoviário é privilegiado em detrimento dos demais modais, transportando 61,09% das cargas do país. A Figura 1.1 apresenta em formato gráfico a distribuição do transporte de cargas, em toneladas-quilômetros úteis (TKU), entre os modais disponíveis.
Figura 1.1: Matriz de Transporte de Cargas Brasileira – Movimentação Anual em 2018
485.625 61,09% 164.809 20,73% 108.000 13,59% 33.300 4,19% 3.169 0,40%
Matriz de Transporte de Cargas
Movimentação Anual - 2018 (em milhões de TKU)
Rodoviário Ferroviário Aquaviário Dutoviário Aéreo
Fonte: Adaptado de CNT, 2019a
Apesar de o transporte rodoviário ser majoritário no Brasil, isso não significa que tem apresentado melhor qualidade (COLAVITE e KONISHI, 2015).
Segundo o Anuário CNT do transporte (CNT, 2018), em 2017, a malha rodoviária brasileira possuía uma extensão de 1.720.952,2 km, sendo a maior parte não pavimentada (1.349.938,5 km – 78,44%), e apenas 12,4% (213.452,8 km) da sua extensão pavimentada. A Figura 1.2 apresenta a distribuição da extensão da
malha rodoviária de 2017, em relação ao tipo de implantação da via (planejadas, não pavimentadas e pavimentadas). Grande parte desse viário é de administração municipal (77,8% da extensão total), sendo a maior extensão pavimentada administrada pelos estados (56,9% do viário pavimentado). A Figura 1.3 apresenta a extensão viária por tipo de implantação e administração.
Figura 1.2: Malha Rodoviária Brasileira – 2017
157.560,9 9,16% 1.349.938,5 78,44% 213.452,8 12,40%
Malha Rodoviária Total - Brasil 2017
(Extensão em km)
Planejadas Não pavimentadas Pavimentadas
Fonte: Adaptado de CNT, 2018
Figura 1.3: Malha Rodoviária Brasileira por administração – 2015
44,0 36,2 77,4 11,9 105,6 1.234,9 64,0 119,7 26,8 0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600
Federal Estadual Municipal
M ilh ar es d e km
Malha Rodoviária por administração - 2015
(extensão em km)
Planejadas Não pavimentadas Pavimentadas
Fonte: Adaptado de CNT, 2018
A Pesquisa CNT de Rodovias (CNT, 2017a), com os dados de 2017, classificou o desempenho do pavimento em cinco categorias, que variam de ótimo a péssimo. Um resumo destes resultados está apresentado na Tabela 1.1. Analisando
os dados presentes nesta tabela, verifica-se que o pavimento de metade das rodovias é classificado como regular, ruim ou péssimo. As melhores avaliações são referentes à malha rodoviária concessionada, já que as concessionárias têm como obrigação contratual manter a operação em qualidade mínima adequada durante todo o período de concessão, podendo haver sanções pelas agências reguladoras caso não cumpram esta determinação.
Tabela 1.1: Classificação do pavimento – CNT 2017
Classificação do Pavimento
Malha pavimentada analisada pelo CNT 2017 (49,6% da malha pavimentada nacional) Gestão Concedida Gestão Pública Total
km % km % km % Ótimo 13.825 67,94% 28.841 33,75% 42.666 40,32% Bom 2.148 10,56% 8.089 9,46% 10.237 9,67% Regular 3.429 16,85% 32.533 38,07% 35.962 33,99% Ruim 936 4,60% 13.068 15,29% 14.004 13,23% Péssimo 10 0,05% 2.935 3,43% 2.945 2,78% TOTAL 20.348 100,00% 85.466 100,00% 105.814 100,00%
Fonte: Adaptado de CNT, 2017a
Segundo a pesquisa CNT (2017a), os resultados pouco satisfatórios das rodovias brasileiras são motivados por:
Alta demanda rodoviária, que não acompanha o crescimento da frota; Desequilíbrio da matriz de transportes de cargas, que traz para o modal
rodoviário as viagens de longas distâncias, quando este modal é ideal para o deslocamento para curtas e médias distâncias;
Ausência de investimentos em manutenção e/ou conservação nos moldes necessários.
Um estudo da CNT (2017b), consultando especialistas de universidades, de órgãos públicos e de concessionárias, visou verificar a causa pela qual os pavimentos rodoviários no Brasil apresentam vida útil reduzida. As causas apontadas foram classificadas em quatro categorias: i) método de dimensionamento; ii) tecnologias e processo construtivo; iii) manutenção e gerenciamento; e iv) fiscalização.
As críticas são diversas: quanto ao método de dimensionamento citam o fato dele ser empírico e antigo, sem revisão técnica atual; deficiências na incorporação das condições climáticas no método e no comportamento dos
materiais; a não consideração da evolução dos veículos e a composição de tráfego atual das rodovias; e a não previsão de variação das condições inicialmente estimadas em projeto. Quanto à tecnologia e processos construtivos, a priorização do custo em detrimento da técnica, a baixa competitividade entre os fornecedores dos ligantes para pavimentação e a falta de rigor técnico para o cumprimento das normas nos ensaios dos materiais são as causas destacadas. Quanto à manutenção e gerenciamento, são mencionadas a não previsão orçamentária da manutenção durante o planejamento da via, a falta de manutenção preventiva, a inexistência de gerência de pavimentos, a cobertura parcial em contratos, e a manutenção inadequada, que realiza uma manutenção funcional quando há necessidade de uma estrutural. Na fiscalização de obras, a recente implementação de parâmetros de aceitação das obras para controle de qualidade, que ainda não geraram resultados, é citada; e na fiscalização de trânsito realizada pelos órgãos executivos rodoviários, as causas seriam a insuficiência de recursos, o pouco controle de pesagem nas rodovias e a falta de conscientização dos efeitos da sobrecarga (CNT, 2017b).
Em estruturas com problemas em seu dimensionamento é esperado que estas apresentem defeitos sérios antes do final da vida útil planejada.
O pavimento asfáltico é o principal tipo utilizado no Brasil. Mesmo não sendo uma imposição normativa, usualmente os pavimentos flexíveis e semirrígidos brasileiros são dimensionados para um período de 10 anos (MELLO et al., 2016).
Segundo Kumar (2013), para o dimensionamento de um pavimento é necessário levar em conta diversos parâmetros, como a resistência do subleito, o tráfego previsto de veículos, o material disponível na região onde será implantado, além das características climáticas do local, como a temperatura e as chuvas (índices pluviométricos).
Alguns desses parâmetros podem não ser analisados de forma ideal durante a elaboração do projeto, por diversas razões como, por exemplo, para redução de custos de pesquisas de campo, pela insuficiência do número de sondagens do terreno para estimar com segurança a resistência e a qualidade do subleito; ou por estimativa de demanda futura de veículos realizada por estudos de tráfego inadequados.
Como os parâmetros são diversos, é importante que em condição adversa, como na alta restrição econômica no momento do projeto ou na incapacidade de realizar novas pesquisas sobre o local, o projetista conheça qual
parâmetro afetará de forma mais grave o desempenho do pavimento e sua vida útil. Conhecendo o parâmetro que quando subestimado trará mais danos, será possível criar recomendações de boas práticas para evitar defeitos graves nos pavimentos.
A presente pesquisa tem como objetivo avaliar o quanto cada uma destas omissões nos projetos contribui para a ruína precoce dos pavimentos. Foram considerados os pavimentos flexíveis com revestimento de concreto asfáltico usinado à quente e as demais camadas granulares, e dois procedimentos de dimensionamento bastante conhecidos no Brasil, atualmente:
Procedimento do DNIT (Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes), versão de 2006, baseado no procedimento da USACE (United States Army Corps of Engineers) e no procedimento da AASHTO, desenvolvido pelo Engenheiro Murillo Lopes de Souza;
Procedimento da AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials), versão de 1993.
O procedimento do DNIT (versão 2006) é o mais utilizado para dimensionamento de pavimentos novos no país, e apesar do procedimento da AASHTO (versão 1993) não ser propriamente utilizado no Brasil para o dimensionamento das estruturas, alguns de seus conceitos – como suas equivalências de carga e Número N, parâmetros relativos à intensidade do tráfego – são utilizados para as análises mecanísticas do pavimento, como forma de garantir uma vida útil mais adequada à estrutura.
O Número N representa a soma das solicitações de todos os eixos dos veículos, expresso em repetições de um veículo ou eixo padrão equivalente, no pavimento, durante sua vida útil.
Os procedimentos da AASHTO, em suas versões mais atuais, buscaram uma análise cada vez mais baseada na mecânica dos pavimentos, e inspiraram o novo procedimento de dimensionamento nacional que está sendo desenvolvido através de um convênio entre os institutos de Pesquisas Rodoviárias - IPR/DNIT e o Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia – COPPE da Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ.
Existe a expectativa, entre os profissionais da área, de que o novo procedimento nacional, em sua versão definitiva, apresente solução, em relação à sensibilidade dos parâmetros, similar ao procedimento da AASHTO.
Foram analisados os procedimentos de dimensionamento, visando compreender a sensibilidade relativa dos parâmetros de entrada considerados para o cálculo da estrutura. Também foi feita uma breve verificação da versão de abril de 2019 do novo procedimento de dimensionamento, em busca de compreender como os parâmetros estudados foram considerados no novo procedimento.
Na presente dissertação, são apresentados os parâmetros que foram a ênfase dos estudos: a resistência do subleito e a intensidade do tráfego e seus reflexos no dimensionamento do pavimento.
Este trabalho é oportuno neste momento em que está sendo desenvolvida uma nova metodologia nacional de dimensionamento de pavimentos flexíveis, pois traz para discussão fatores que não são considerados no procedimento de dimensionamento atualmente utilizado.
1.2 Organização da Dissertação
Esta dissertação, além desta parte introdutória, foi dividida do seguinte modo:
Capítulo 2: Revisão Bibliográfica: Apresentação dos conceitos utilizados no desenvolvimento da dissertação, como os procedimentos de dimensionamento estudados e os parâmetros que interferem no dimensionamento de pavimentos novos, com destaque aos relacionados com a resistência do subleito e com a intensidade do tráfego;
Capítulo 3: Metodologia: Apresentação dos objetivos, delimitação da pesquisa, descrição das análises realizadas e ferramentas de apoio; Capítulo 4: Desenvolvimento das análises: Apresentação das análises
realizadas. Para o estudo da influência da resistência do subleito, foram analisados os efeitos da variação da umidade de compactação no CBR de subleitos, e o impacto nos pavimentos com subleitos de resistências inferiores à de dimensionamento; para o estudo da intensidade do tráfego, foram analisados o efeito da taxa de crescimento admitida para o tráfego, e o efeito nos pavimentos com as mudanças na carga, na configuração do eixo, e na pressão do pneu. Foram analisados os impactos destes e de outros fatores nos procedimentos de dimensionamento dos pavimentos estudados;
Capítulo 5: Análise dos Resultados: Apresentação dos principais resultados das análises do Capítulo 4;
Capítulo 6: Conclusões e Recomendações; Referências Bibliográficas;
Apêndices: Material detalhado, para complementar as análises realizadas no Capítulo 4.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Função dos pavimentos e fatores que afetam o seu
dimensionamento
A pavimentação de uma via, de acordo com Balbo (2007), tem como meta propiciar um tráfego confortável e seguro, com estruturas e materiais capazes de suportar a combinação dos esforços decorrentes do tráfego e das condições climáticas, consumindo o mínimo de recursos, aproveitando o material disponível no local da obra e garantindo um bom desempenho em termos de custos operacionais e de manutenção ao longo dos anos de serviço da estrutura.
Yoder e Witczak (1975) definem pavimento flexível como a estrutura que possui um revestimento relativamente fino de uma mistura de asfalto e agregados e camadas granulares de base e sub-base, utilizada para proteger o subleito de ser sobrecarregado pelo tráfego.
Segundo Pereira e Pais (2017), o pavimento rodoviário é um dos elementos mais onerosos na construção de estradas, além das pontes e viadutos, e é o principal elemento que recebe investimentos nas operações de manutenção, exigindo que o seu projeto e o seu dimensionamento utilizem métodos precisos.
Para Kumar (2013), o dimensionamento de um pavimento consiste em determinar a sua espessura e/ou a espessura de cada camada do pavimento para suportar o tráfego estimado para um certo período de projeto. O dimensionamento depende de diversos fatores, como intensidade do tráfego pelas cargas de rodas, repetições, temperatura, pluviosidade, umidade, geada, condições de drenagem, resistência do solo do subleito, propriedades dos materiais utilizados, critérios dos projetos de misturas e considerações econômicas. A função dos pavimentos seria, então, prover uma superfície firme, forte, plana e resistente à derrapagem dos veículos, com baixa geração de barulho em todas as estações, e que receba e disperse as cargas em segurança sobre o subleito, de forma que as tensões e deformações se mantenham dentro dos limites admissíveis.
A estrutura básica de um pavimento compreende uma camada superficial de desgaste que transmite com segurança as cargas recebidas para as camadas subsequentes. Sob a solicitação de uma carga, a camada superficial sofre tensões de compressão e tração, respectivamente, em suas fibras superiores e inferiores. A
carga é distribuída para a camada seguinte dispersando os esforços em uma propagação cônica. Assim, o subleito deve suportar tensões de compressão de menor intensidade do que as da superfície. A espessura total do pavimento deve ser suficiente para manter as tensões e deformações dentro dos limites admissíveis, de forma que o subleito resista às cargas do tráfego sem deformações plásticas. As camadas da estrutura do pavimento devem ter resistência suficiente para suportar as cargas do tráfego durante o período de projeto, sob as condições climáticas sazonais prevalecentes (KUMAR, 2013).
No século XX, foram desenvolvidos em vários países procedimentos de dimensionamento de pavimentos, que, em muitos casos, constituíam-se de adaptações de métodos básicos baseados no empirismo e na experiência adquirida no trato das condições locais, por diversos órgãos rodoviários ao longo dos anos. Assim, a existência de vários métodos pode ser justificada pelas diferentes condições ambientais, geológicas, podológicas e de tráfego, além das opiniões divergentes de técnicos em relação ao que se constitui a ruptura de um pavimento, uma vez que não existe uma descrição unânime e precisa do fenômeno, sendo, portanto, a diferença fundamental entre os procedimentos de dimensionamento o critério de ruptura adotado (BALBO, 2007).
Para servir em todas as condições climáticas, a camada superior do pavimento, que é denominada capa ou revestimento, geralmente é construída para ser impermeável, utilizando diferentes tipos de ligantes como betume, alcatrão e materiais betuminosos modificados. O revestimento resiste às cargas desenvolvendo tensões de tração em suas fibras inferiores. As demais camadas são compostas por material granular, não agregado por nenhum ligante, sendo estabilizadas por ação mecânica (compactação), opcionalmente tratadas por aditivos, fazendo com que estas camadas possuam resistência muito baixa à tração (KUMAR, 2013).
Motta e Medina (2015) ressaltam que a ruptura de um pavimento é devida ao acúmulo de determinado nível de defeito tomado como padrão para definir as espessuras das camadas, não implicando em ruptura catastrófica ou súbita. Os critérios de ruptura mais comumente considerados nos métodos de dimensionamento são a fadiga por solicitações cíclicas, que resulta no trincamento, e as deformações permanentes superficiais, que criam o afundamento de trilha de roda, em razão do acúmulo das deformações elásticas e plásticas que acontecem no pavimento a cada passagem de veículo.
Segundo Kumar (2013), durante o período de serviço do pavimento, existem muitos fatores relacionados ao tráfego, e condições naturais e de engenharia que devem ser levadas em conta para economia de custos e serviço durável. Os fatores que afetam o projeto de pavimento são:
Características dos materiais
Os materiais de pavimentação consistem em diferentes tipos de solos de subleito, agregados graúdos e finos, material granular, materiais betuminosos, cimentícios e outros.
As propriedades físicas e de engenharia destes materiais, usados na construção de pavimentos, exerce uma grande importância na determinação da espessura e na escolha dos materiais, pois, juntamente com o método de compactação e o controle de qualidade da construção, determinam o comportamento estrutural, os padrões de distribuição de tensão, o desempenho de serviço, e a resistência à deformação causada pela ação repetitiva das cargas de tráfego sob a influência de condições ambientais variáveis.
Fatores relacionados ao Tráfego
O tráfego é um dos principais parâmetros que define a espessura do pavimento. Está relacionado com diversas características dos veículos: Volume do Tráfego:
O volume de tráfego é baseado em contagens de veículos em interseções ou seções rodoviárias. O tráfego final deve incorporar o volume adicional esperado durante o período de projeto considerado, de acordo com as atividades de desenvolvimento econômico local. A estimativa do volume de tráfego futuro para o período de projeto deve ser calculada em termos de cargas padrão acumuladas por ano. A taxa de crescimento do tráfego é geralmente calculada a partir do crescimento da frota, do consumo de combustíveis e do desenvolvimento socioeconômico na localidade nos 10-20 anos anteriores.
Fator de distribuição de faixas:
O fator de distribuição estima a concentração de veículos pesados nas faixas de rolamento, isto é, onde haverá maior repetição das cargas, determinado através de estudos de campo.
Fatores relacionados ao eixo e cargas de rodas:
A carga total de um veículo fica concentrada nos seus eixos, distribuindo-a entre as rodas, que por sua vez, transfere-as para a superfície do pavimento em seu contato com os pneus. Para manter as tensões sobre o pavimento dentro dos limites admissíveis, caminhões mais pesados tem sua carga distribuída em um maior número de eixos e pneus. Os países estabelecem os limites de carga legal para cada eixo, visando proteger seus pavimentos do sobrepeso.
Cada eixo irá conceder certa quantidade de dano e deterioração ao pavimento, que aumentará conforme o incremento das repetições e da magnitude das cargas. Como diferentes eixos causam vários graus de dano, é habitual converter as repetições de eixos de diversas configurações e cargas em repetições de passagem do eixo de carga padrão. Esta conversão é feita através dos fatores de carga equivalente, que retrata o dano equivalente causado por determinado eixo e sua carga em relação ao eixo padrão adotado.
Pressão de inflação do pneu e pressão de contato:
A pressão de contato é definida pela pressão aplicada na superfície do pavimento, devido à carga sobre a área de impressão do pneu. Para o seu dimensionamento, a pressão de contato é considerada como a pressão de inflação do pneu. Quando a pressão aumenta, a área de contato diminui e vice-versa. Ao se aumentar a carga, a área também aumenta. No pior cenário, com a pressão do pneu e carga aumentando, a pressão de contato aumenta. Durante o verão, a pressão de inflação do pneu aumenta pelas maiores temperaturas do ar e do pavimento.
Efeito do movimento e cargas transitórias:
A carga aplicada por um veículo em movimento é a combinação das cargas estáticas e das cargas transitórias dinâmicas induzidas pelos pneus, resultando em desníveis longitudinais e irregularidades no pavimento. São afetadas pelas características da superfície, como desníveis, irregularidades e
outros defeitos; pelas características do veículo como carga de roda, configuração do eixo, inflação do pneu, suspensão, idade do veículo; e pelas condições climáticas. A resposta dinâmica estrutural, devido à transitoriedade da carga da roda em movimento, depende da relação entre a frequência de carga externa e a frequência natural da estrutura do pavimento. A frequência natural do pavimento flexível varia de 6 a 14 Hz.
Fatores climáticos e ambientais
Deve ser dada a mesma importância que aos fatores relacionados ao tráfego no dimensionamento de pavimentos, pois em várias localidades sofrerão mudanças físicas em diferentes climas e condições ambientais durante as estações. Os fatores a serem considerados são: intensidade e duração pluviométrica, neblina e nevascas, temperatura do ar e do pavimento, condições de drenagem superficial e subsuperficial, tipo de terreno e solo, corpos de água próximos, nível d’água subterrâneo, intensidade do vento, cobertura de nuvens, umidade relativa e radiação solar.
A presença de umidade além da umidade ótima de compactação, de qualquer origem, na estrutura do pavimento, é indesejável, pois causa mudanças volumétricas em camadas compactadas em muitos locais, resultando em falhas de diferentes modos. Parâmetros relativos à resistência do subleito e às camadas granulares com finos são altamente sensíveis a pequenas mudanças da umidade de compactação, de forma que a sua resistência pode diminuir com umidade diferente da ótima.
A mudança da umidade da estrutura pode acontecer quando ocorre a infiltração de água da superfície, em razão de acostamentos não pavimentados, com revestimento trincado (e outros defeitos que o tornem permeável), ou juntas não seladas; ou por capilaridade de águas subterrâneas, em razão de sua movimentação através de drenos laterais, ou de corpos d’água próximos ou da elevação de lençóis freáticos.
Alguns solos, principalmente os argilosos, são mais propensos à saturação, absorvendo e retendo água por longos períodos. Em juntas e trincamentos, pode acontecer o bombeamento de finos, fenômeno no qual a água penetra no pavimento, atingindo as camadas inferiores e, em
razão do suporte ser mais fraco sob a carga de roda, o pavimento deflete e causa a expulsão da água infiltrada com as partículas finas dessas camadas para a superfície.
Considerações de Drenagem
A presença de quantidade excessiva de água superficial ou subsuperficial retida no pavimento causa falhas de diferentes formas, como erosão da superfície, acostamentos e drenagem lateral; perda de servicibilidade do pavimento em razão de falhas prematuras como trincamento, rachaduras, irregularidades e outros defeitos; perda de integridade estrutural, suporte ou rigidez das camadas e/ou subleito; bombeamento de finos; e instabilidade de aterros e cortes. Assim, o projetista precisa saber qual é a origem da água a ser controlada, as possibilidades adequadas para o projeto geométrico da rodovia, como controlar a água em toda a espessura do pavimento e deve prever dispositivos adequados para a rápida saída da água do pavimento.
2.2 Procedimentos de Dimensionamento de Pavimentos
Estudados
Os procedimentos de dimensionamento considerados neste estudo são os do DNIT, descritos no Manual de Pavimentação de 2006 (DNIT, 2006b), e os da AASHTO, em sua versão de 1993 (AASHTO, 1993).
O procedimento do DNIT é geralmente utilizado para o dimensionamento dos pavimentos das rodovias federais e de sistemas viários de outras administrações públicas no Brasil.
O procedimento da AASHTO é referência nos EUA e em outros países, não sendo tão usual no Brasil sua utilização diretamente para dimensionamento, contudo alguns de seus conceitos e parâmetros são empregados nas análises de desempenho dos pavimentos.
Segundo Medina e Motta (2015), a atual tendência dos principais centros de pesquisa rodoviária é de estabelecer procedimentos de dimensionamento mecanístico-empíricos de pavimentos, isto é, fundamentados em bases analíticas e experimentais, de forma a levar em consideração os efeitos climáticos e suas variações sazonais e as características mecânicas dos materiais em condições de
solicitações dinâmicas, semelhantes à ação do tráfego. Este tipo de dimensionamento possibilita encontrar soluções através da compatibilização dos materiais, e não apenas através do aumento de espessura das camadas, como ocorre nos métodos empíricos.
Entretanto, em razão da complexidade de parâmetros não totalmente representados nos modelos numéricos, há a necessidade de ajustar as relações matemáticas de previsão dos danos ou critérios de ruptura, o que é considerada a “parte empírica” dos procedimentos de dimensionamento mecanístico-empíricos. Estes ajustes vão representar as condições particulares de região, clima, hábitos de carga, técnicas construtivas, etc., de acordo com os trechos utilizados para calibração dos modelos, de forma que a observação sistemática da evolução dos defeitos e/ou danos apresentados nesses trechos, consideradas as características do tráfego e análises por ensaios não destrutivos da estrutura, é essencial para a validação dos modelos de danos dos procedimentos de dimensionamento mecanístico-empíricos (MEDINA e MOTTA, 2015).
Para Balbo (2007), o procedimento de dimensionamento do DNIT (versão 2006) é um método de dimensionamento semiempírico, pois foi concebido a partir de extrapolações teóricas e racionais de modelo observacional obtido pelo acúmulo de dados e experiências, através da parametrização das estruturas de pavimento por meio dos valores de CBR (California Bearing Ratio) de suas camadas. Já o procedimento da AASHTO (versão 1993) é um modelo empírico, pois é oriundo da observação da evolução da condição de serventia dos pavimentos, através de parâmetros medidos em campo periodicamente e associados a grandezas como a repetição de cargas e a resistência dos materiais, do experimento da AASHO Road Test. Os critérios empíricos têm como limitação seu campo de experimentação e condições de aplicação, para garantir a sua reprodutibilidade.
Segundo Coutinho (2011), os conceitos da mecânica dos pavimentos já são conhecidos, estudados e aplicados desde a década de 1970, tendo sido desenvolvida em 1991 por Motta uma primeira proposta de procedimento de dimensionamento de pavimentos pelo método mecanístico-empírico no Brasil. Balbo (2007) comenta que, oficialmente, a análise mecanicista à fadiga foi implementada no dimensionamento de pavimentos pelas instruções de projeto para pavimentos urbanos da prefeitura de São Paulo, em 2004, através da “IP-08/2004 – Análise mecanicista à fadiga de estruturas de pavimentos”.
De acordo com Balbo (2007), os critérios de dimensionamento fundamentados no método do CBR e na perda de serventia não consideram de forma explicita o fato das camadas dos pavimentos trabalharem em flexão e ficarem, então, sujeitas a esforços de tração em suas fibras inferiores e, portanto, atingirem a fadiga. Para conhecer o estado de deformação e tensão da estrutura do pavimento em vários pontos das camadas, utiliza-se a teoria de sistemas de camadas elásticas. Conhecendo-se os esforços, estes são comparados aos obtidos através de modelos de degradação por fadiga ou por deformação plástica dos materiais de pavimentação.
Atualmente, o DNIT tem buscado criar um procedimento de dimensionamento baseado em métodos semiteóricos ou empírico-mecanicistas, de forma a permitir avaliar, junto ao dimensionamento, o comportamento estrutural do sistema de camadas dos pavimentos.
2.2.1 Procedimento do DNIT (versão 2006)
Segundo Coutinho (2011), o procedimento do DNIT, antigo DNER (Departamento Nacional de Estradas de Rodagem), que foi desenvolvido pelo Engenheiro Murillo Lopes de Souza, baseado no procedimento de dimensionamento CBR, desenvolvido pelo USACE, no Índice de Grupo (IG) e em conceitos do Engenheiro William Haynes Mills, foi oficializado em 1961 como o procedimento padrão de dimensionamento brasileiro. Em 1966, em uma revisão, Souza introduziu conceitos do USACE e dos resultados obtidos pela AASHO (American Association of State Highway Officials) em sua pista experimental. Em 1966 e em 2006, este método foi revisado. Esta última versão está em utilização atualmente.
No dimensionamento pelo procedimento do DNIT, baseado nos procedimentos originais do USACE e da AASHTO, a determinação da espessura total mínima do pavimento, em equivalente de pedra britada, é dada pela equação (2.1):
𝐻 = 77,67 × 𝑁 , × 𝐶𝐵𝑅 , (2.1)
Fonte: DNIT, 2006b
Onde:
Ht Espessura total equivalente em brita mínima, para proteção do material do
subleito ou da camada imediatamente inferior à estrutura que está sendo calculada;
NU Número de operações por eixo de 18.000 lb, ou 8,17 toneladas, calculado
em equivalências USACE;
CBR Resistência do material do subleito ou da camada imediatamente inferior à da estrutura que está sendo calculada, obtida através do ensaio CBR.
A espessura Ht é então calculada para proteger o subleito do pavimento e
as demais camadas granulares como a sub-base e, conforme a necessidade, para o reforço do subleito.
A partir destas espessuras, utiliza-se as seguintes inequações:
ℎ × 𝐾 + ℎ × 𝐾 ≥ 𝐻 (2.2)
ℎ × 𝐾 + ℎ × 𝐾 + ℎ × 𝐾 ≥ 𝐻 (2.3)
ℎ × 𝐾 + ℎ × 𝐾 + ℎ × 𝐾 + ℎ × 𝐾 ≥ 𝐻 (2.4)
Fonte: Adaptado de DNIT, 2006b
Onde:
Hm, Hn e H20 Espessuras obtidas a partir da equação (2.1),
respectivamente, para o subleito, o reforço de subleito e a sub-base;
KR, KB, KS e KRef Coeficientes de equivalência estrutural, e se referem,
respectivamente, ao revestimento, base, sub-base e reforço de subleito;
hR, hB, h20 e hn Espessuras das camadas, respectivamente, para o
revestimento, a base, a sub-base e o reforço do subleito.
De forma genérica, os coeficientes de equivalência são dados pelos componentes do pavimento e variam entre 1,00 e 2,00. Os revestimentos podem ser com tratamentos superficiais ou revestimentos betuminosos ou ainda de concreto betuminoso com espessuras mínimas entre 7,5 e 12,5 cm.
O procedimento de dimensionamento DNIT, em sua versão de 2006, conforme o seu Manual de Pavimentação (DNIT, 2006b), exige que:
O lençol freático seja rebaixado em pelo menos 1,50 m em relação ao greide de regularização, isto é, da cota do subleito da estrutura do pavimento;
O subleito tenha resistência CBR igual ou superior a 2%, e expansão menor ou igual a 2%. Caso o CBR do subleito seja inferior a 2% é preferível a substituição do material na espessura mínima de 1,00 m, por material com CBR maior que 2%;
O reforço do subleito tenha um CBR maior que o do subleito, e expansão menor ou igual a 1%. As sub-bases devem apresentar CBR mínimo igual a 20%, índice de grupo (IG) igual a 0 (zero) e expansão menor ou igual a 1%. Para o cálculo da espessura mínima para proteção da sub-base, deve-se considerar o CBR da sub-base igual a 20%;
As bases tenham CBR mínimo igual a 80%, expansão menor ou igual a 0,5%, limite de liquidez (LL) menor ou igual a 25% e limite de plasticidade (LP) menor ou igual a 6%;
A espessura mínima para compactação de camadas granulares seja de 10 cm e a máxima de 20 cm, e a espessura mínima da camada única compactada de 15 cm.
Como é possível visualizar pela equação (2.1), o procedimento de dimensionamento de pavimentos pelo método do DNIT define as dimensões estruturais em função da qualidade do subleito e da intensidade de tráfego no trecho.
Para finalizar o dimensionamento de um pavimento flexível, o Manual de Pavimentação (DNIT, 2006b) apresenta a recomendação de que a estrutura seja verificada a partir de análises mecanísticas, nas quais o projetista deve calcular as respostas estruturais do pavimento e verificar se atendem às equações de desempenho para deformações e tensões admissíveis. Entretanto, o manual não recomenda quais equações de desempenho o projetista deve utilizar, ou de qual forma considerar o CBR, já que nas análises mecanísticas são utilizados os módulos de resiliência dos materiais.
Motta e Medina (2015) afirmam que esta solução modernizante ou “corretiva” do procedimento de dimensionamento deve ser vista com reservas, já que a escolha dos materiais do pavimento é condicionada pelos critérios de dimensionamento do procedimento, e esta verificação pelo processo mecanístico, com critérios de desempenho de diversas origens, pode não garantir a vida útil da estrutura, e será tão suscetível a falhas quanto mais se utilizar a adoção de parâmetros, em vez de resultados de ensaios dos materiais que compuserem a estrutura.
As condições climáticas, principalmente a chuva, no método DNIT são consideradas de forma indireta, segundo os manuais de Estudo de Tráfego (DNIT,
2006a) e Pavimentação (DNIT, 2006b) do DNIT. O fator regional (FR) é utilizado como um multiplicador do Número N. Entretanto, no Manual de Pavimentação (DNIT, 2006b), recomenda-se a utilização de FR igual a 1, já que pesquisas desenvolvidas pelo IPR/DNIT, por Souza em 1977, verificaram que, no subleito de rodovias federais e estaduais brasileiras bem projetadas e construídas, com dispositivos de drenagem (superficial e profunda) eficientes, a umidade de equilíbrio do subleito era igual ao teor de umidade ótimo do ensaio de compactação na energia normal, e que os valores do CBR in situ eram, quase sempre, superiores aos obtidos no laboratório (MEDINA e MOTTA, 2015).
Na utilização de FR maior que 1, ou seja, em climas mais úmidos, a expectativa é de que o aumento do Número N implique no aumento da espessura do pavimento como um todo, inclusive da camada de revestimento asfáltico.
Senço (2007) menciona que o FR varia entre 0,2 e 5,0, representando, respectivamente, situações em que prevalecem baixos teores de umidade e situações em que os materiais estão saturados, e recomenda que seja calculado pela média ponderada dos valores de FR dos períodos mais secos, dos úmidos e dos meses intermediários, de acordo com o número de meses do ano, conforme a equação (2.5): 𝐹𝑅 = 𝐹𝑅 ×𝑚 12+ 𝐹𝑅 × 𝑚 12+ 𝐹𝑅 × 𝑚 12 𝑚 + 𝑚 + 𝑚 = 12 (2.5) Fonte: SENÇO, 2007 Onde:
FR Fator climático regional;
FRs, FRc, FRt Fator climático regional, respectivamente, para os meses de seca,
de chuva e intermediários;
ms, mc, mt Número de meses, respectivamente, secos, chuvosos e
intermediários.
Para o Brasil, Senço (2007) aponta os valores apresentados na Tabela 2.1 para os fatores climáticos regionais FR.
Tabela 2.1: Fatores climáticos regionais (FR) sugeridos para o Brasil
Altura média anual de chuva (mm) Fator climático regional (FR)
Até 800 0,7
De 800 a 1.500 1,4 Mais de 1.500 1,8
O desempenho funcional do pavimento em relação ao conforto de rolamento não é considerado no dimensionamento de pavimentos novos pelo procedimento do DNIT. É considerado apenas quando se trata da conservação e restauração dos pavimentos flexíveis, como qualidade do pavimento a ser restaurado pelas intervenções necessárias, localizando os pontos mais críticos.
O procedimento de dimensionamento do pavimento também não considera a tolerância de aceitação da construção das camadas. Por exemplo, para as camadas de revestimento em concreto asfáltico, as especificações de serviço admitem uma tolerância de ±5% da espessura das camadas construídas em relação à especificada em projeto (DNIT, 1999 e DNIT, 2006c). A espessura do revestimento, então, pode ser construída mais esbelta que o recomendado em projeto, resultando em uma menor resistência do pavimento, e assim, em uma degradação mais acelerada, diminuindo a vida útil do pavimento.
2.2.2 Procedimento da AASHTO (versão 1993)
Segundo Coutinho (2011), o Procedimento da AASHTO foi concebido a partir dos experimentos da AASHO Road Test, desenvolvido pela AASHO para a definição de um procedimento norte-americano para dimensionamento de pavimentos. Os experimentos foram realizados entre 1956 e 1961, com o objetivo principal de determinar a degradação do pavimento em relação a sua solicitação pelas configurações de eixos dos veículos que trafegavam sobre a via. Os primeiros resultados foram divulgados em 1961, e o procedimento foi revisado a partir de experiências de sua aplicação em 1972, 1981, 1986, 1993 e 2002.
Balbo (2007) afirma que, pelo aumento exponencial do tráfego nas rodovias americanas, pela evolução das configurações dos veículos e pressão aplicadas ao pavimento, e pela enorme variedade de tecnologia dos materiais ao longo dos anos, os técnicos americanos passaram a buscar novos procedimentos que considerassem fatores críticos e que realizassem a previsão do desempenho dos pavimentos. Assim, na reformulação de 2002, foi desenvolvido pelo NCHRP – National Cooperative Highway Research Program com o patrocínio da AASHTO, o procedimento de projeto mecanicista americano. O procedimento requer sucessivas análises elásticas, em grande número, para simulação do pavimento, sendo bastante criterioso e de lenta determinação.
Desta forma, foi desenvolvido um programa computacional (software) denominado Design Guide 2002 (ou DG2002) para realização do dimensionamento de pavimentos americanos (Mallick e El-Korchi, 2013).
A partir de revisões desta primeira versão, foi desenvolvido o Mechanistic-Empirical Procedure Design Guide – MEPDG, que engloba num mesmo software o dimensionamento de pavimentos flexíveis e rígidos, novos e reabilitados, que é hoje o procedimento americano de dimensionamento de pavimentos em vigor (MEDINA e MOTTA, 2015).
Para o dimensionamento pelo procedimento de 1993 da AASHTO, fundamentado a partir da análise estatística das suas pistas experimentais, a determinação da espessura mínima do pavimento flexível é dada pelas equações (2.6) e (2.7): 0 10 0 10 0 10 10 5,19 log 1,5
log 9,36 log ( 1) 0,20 2,32 log 8,07
1094 0, 40 ( 1) t A r r p p p N Z S SN M SN (2.6) 𝑆𝑁 = 𝑎 × 𝐷 + 𝑎 × 𝑚 × 𝐷 + 𝑎 × 𝑚 × 𝐷 (2.7) Fonte: AASHTO, 1993 Onde:
NA Número N de operações por eixo de 18.000 lb, ou 8,17 toneladas,
calculado em equivalências AASHTO;
Zr Desvio normal padrão tomado de acordo com o nível de confiança R
de projeto;
S0 Desvio padrão associado (para pavimentos flexíveis é usualmente
adotado o valor de 0,35);
SN Número estrutural do pavimento;
p0 e pt Índices de serventia inicial e final do pavimento, respectivamente;
Mr Módulo de resiliência do subleito ou da camada imediatamente
inferior à estrutura calculada, em libras por polegada quadrada (lb/pol²);
a1, a2 e a3 Coeficientes estruturais dos materiais componentes das camadas
estruturais do pavimento, respectivamente, do revestimento, da base e da sub-base;
D1, D2 e D3 Espessuras, em polegadas, das camadas estruturais do pavimento,
respectivamente, do revestimento, da base e da sub-base;
m2 e m3 Coeficientes de drenagem das camadas, respectivamente, da base e
