ADEMIR SCHMADECKE MILNIKEL
COMPARATIVO FINANCEIRO DE ALTERNATIVAS DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS COM MATERIAIS REGIONAIS
Ijuí 2017
COMPARATIVO FINANCEIRO DE ALTERNATIVAS DE
PAVIMENTOS ASFÁLTICOS COM MATERIAIS REGIONAIS
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Civil apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Civil.
Orientador(a): Prof. Me. José Antônio Santana Echeverria
Ijuí 2017
COMPARATIVO FINANCEIRO DE ALTERNATIVAS DE
PAVIMENTOS ASFÁLTICOS COM MATERIAIS REGIONAIS
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO CIVIL e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Ijuí, 04 de dezembro de 2017
Prof. José Antônio Santana Echeverria Mestre pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Orientador Prof. Lia Geovana Sala Coordenador do Curso de Engenharia Civil/UNIJUÍ
BANCA EXAMINADORA
Prof. José Antônio Santana Echeverria (UNIJUÍ) Mestre pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Prof. Carlos Alberto Simões Pires Wayhs (UNIJUÍ) Mestre pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Dedico este trabalho à minha mãe, Vera Lucia Schmadecke Milnikel. Sem a qual eu não teria chegado até aqui.
Agradeço primeiramente a Deus, o qual me propiciou esta jornada;
Aos meus familiares, cujo represento aqui pela figura de minha mãe, Vera Lucia Schmadecke Milnikel, pelo ensinamento de vida;
Ao meu orientador, professor, Mestre e amigo, José Antônio Santana Echeverria, por cada ensinamento, cada cobrança, por ter me conduzido neste estudo, deixo aqui expresso minha admiração e gratidão;
A todos os professores e funcionários do Curso de Engenharia Civil da UNIJUÍ, os quais fizeram parte desta jornada, cujos nomes não citarei, para não correr o risco de esquecer alguém, contudo deixo aqui também meu carinho e minha gratidão aos mesmos;
Agradeço a empresa Polo Arquitetura e Construções LTDA, a qual fiz estágio e me acolheu de braços abertos, aqui representado pelo Arquiteto Otavio Polo, o qual sempre esteve disposto a ajudar de qualquer maneira para possibilitar a conclusão desta jornada;
Aos colegas de aula e de trabalho, que fizeram parte desta caminhada, sem os quais a mesma se tornaria monótona.
Antes de orar por um milagre, ore por força. Milagres acalmam as águas. Mas nunca te ensinarão a ser resiliente para as próximas
tempestades.
MILNIKEL, Ademir Schmadecke. Comparativo financeiro de alternativas de pavimentos
asfálticos com materiais regionais. 2017. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de
Engenharia Civil, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2017. 82 p.
Ao tratar-se de pavimentos flexíveis, o revestimento asfáltico é a soluções mais tradicional utilizada. Porém conforme o Sistema Nacional de Viação (SNV), apenas pouco mais de 12% das estradas brasileiras são pavimentas, no entanto, é pelas estradas que escoam mais de 58% do volume nacional de cargas. O déficit de pavimentação, afeta não só a economia como um todo, que talvez seja a mais prejudicada, mas influi diretamente na qualidade de vida e no bem-estar da população. Sendo que na maioria dos municípios de pequeno e médio porte, os pavimentos, são executados por pequenas empresas, segundo a sua experiência, com poucos recursos e praticamente sem nenhum controle tecnológico adequado, além de serem muito limitadas quanto ao dimensionamento e aplicação de novas tecnologias. Optou-se então por desenvolver a presente pesquisa, voltada ao dimensionamento de pavimento flexível para baixo volume de tráfego, de uma via local, utilizando três métodos distintos, empregando materiais da região e realizar um comparativo financeiro entre os mesmos. Os três métodos empregados neste estudo, foram o método do DNER, cujo dimensionamento é baseado no empirismo, e utilizando-se de outros dois softwares, o SisPav e o IMT-PAVE. Os materiais utilizados foram, o CBUQ para a camada de revestimento, e para base utilizou-se BGS, Macadame Seco, Solo-Cimento e uma mistura de material fresado com pó-de-pedra, denominada 70MF/30PDP. O orçamento foi realizado a através do Sistema de Custos Referenciais de Obra – SICRO2. Após realizados os dimensionamentos e posterior orçamento dos mesmos, o pavimento que se destacou financeiramente, foi utilizando-se na camada de base a mistura de material fresado com pó-de-pedra na proporção de 70% e 30%, respectivamente, denominada mistura 70MF/30PDP, o qual gerou um custo menor nos três métodos de dimensionamento utilizados.
Palavras-chave: Dimensionamento de pavimentos; orçamento de pavimentos; SisPav;
MILNIKEL, Ademir Schmadecke. Financial comparison of alternatives of asphalt
pavements with Regional Materials. 2017. Course Completion Work. Civil Engineering
Course, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2017. 82 p.
In the case of flexible pavements, the asphalt coating is the most traditional solutions used. However, as the National System of Roads (SNV), only a little more than 12% of Brazilian roads are pavements is, however, the roads that drain more than 58% of the national volume of loads. The deficit of paving, affects not only the economy as a whole, which is perhaps the most impaired, but directly influences the quality of life and well-being of the population. Being that in the majority of the municipalities of small and medium-sized businesses, the decks are run by small enterprises, according to his experience, with few resources and virtually no technological control appropriate, in addition to being very limited in sizing and application of new technologies. It was then decided to develop this research focused on the sizing of flexible pavement for low volume of traffic, of a local route, using three different methods, using materials from the region and perform a financial comparison between them. The three methods employed in this study, the method of the DNER, whose sizing is based on empiricism, and using other two software, the SisPav and the IMT-PAVE. The materials used were the CBUQ to layer of coating, and for the base was used, BGS, Dry Macadam, Soil-Cement and a mixture of material milling with powder-stone, called 70MF/30PDP. The budget was performed through the system of reference costs of construction - SICRO2. After you performed the dimensioning and subsequent budget of the same, the pavement that stood out financially, was using the base layer the mixture of material milling with powder-stone at a ratio of 70% and 30%, respectively, called blend 70MF/30PDP, which generated a lower cost in the three methods used.
Figura 1: Camadas constituintes de um pavimento asfáltico. ... 20
Figura 2: Tensões aplicada e deslocamento no ensaio de carga repetida ... 26
Figura 3: Estruturas típicas de pavimentos asfálticos ... 27
Figura 4: Granulometria para base granular ... 29
Figura 5: Fatores de Equivalência de carga da AASHTO ... 32
Figura 6: Fatores de Equivalência de carga do USACE ... 32
Figura 7: Espessura mínima de revestimento betuminoso ... 32
Figura 8: Determinação de espessura do pavimento ... 33
Figura 9: Dimensionamento do pavimento ... 34
Figura 10: Esquema representativo das tensões, deformações e deslocamentos. ... 36
Figura 11: Sistema de coordenadas utilizado no SisPav. ... 38
Figura 12: Pontos de análise para consideração de variação lateral. ... 39
Figura 13: Fluxograma simplificado do tratamento do tráfego. ... 40
Figura 14: Fluxograma do método integrado de análise e dimensionamento do SisPav. . 41 Figura 15: Tela inicial do programa SisPav. ... 42
Figura 16: Tela Tráfego do programa SisPav. ... 43
Figura 17: Tela Clima do programa SisPav. ... 44
Figura 18: Tela Modelos do programa SisPav. ... 45
Figura 19: Tela Estrutura, com informações finais de análise. ... 46
Figura 20: Janela do IMT-PAVE referente ao tráfego ... 48
Figura 21: Janela do IMT-PAVE referente aos aspectos da carga ... 48
Figura 22: Janela do IMT-PAVE referente a estrutura do pavimento ... 49
Figura 23: Janela do IMT-PAVE referente a análise probabilística ... 50
Figura 24: Relatório gerado pelo IMT-PAVE ... 50
Figura 25: Esquema de Composição de Custos SICRO2 ... 51
Figura 26: Delineamento da pesquisa ... 54
Figura 27: Via definida para o estudo ... 55
Figura 28: Foto da Via definida para o Estudo ... 55
Figura 29: Pontos onde coletou-se solo para os ensaios ... 56
Figura 30: Preparação do solo ... 64
Figura 31: Processo de peneiramento ... 65
Tabela 1: MR de Solo A-2-6 com 8% de Cimento (Mistura 5) ... 58
Tabela 2: MR de Solo A-2-6 com 8% de Cimento (Mistura 6) ... 58
Tabela 3: Resultados médios do Ensaio de ISC para as misturas ... 59
Tabela 4: Módulos retroanalisados ... 60
Tabela 5: Valores médios de MR e espessuras obtidos pelo BackSispav ... 61
Tabela 6: Módulos de resiliência das camadas constituintes ... 61
Tabela 7: Resumo dos módulos resilientes retroanalisados ... 62
Tabela 8: Valores de ISC obtidos ... 67
Tabela 9: Propriedades dos materiais utilizados nos dimensionamentos ... 68
Tabela 10: Dimensionamento pelo SisPav ... 69
Tabela 11: Dimensionamento pelo IMT-PAVE ... 69
Tabela 12: Dimensionamento pelo DNER ... 71
Tabela 13: Orçamento do Revestimento de 5,00 cm de espessura ... 73
Tabela 14: Orçamento do Revestimento de 5,50 cm de espessura ... 73
Tabela 15: Orçamento do Revestimento de 7,00 cm de espessura ... 74
Tabela 16: Orçamento do Revestimento de 8,00 cm de espessura ... 74
Tabela 17: Orçamento da base de BGS com 15,00 cm de espessura ... 74
Tabela 18: Orçamento da base de MS com 19,00 cm de espessura ... 75
Tabela 19: Orçamento da base de Solo-cimento com espessura de 15,00 cm ... 75
Tabela 20: Orçamento da base de Solo-cimento com espessura de 30,00 cm ... 75
Tabela 21: Orçamento da base de 70MF/30PDP ... 75
Tabela 22: Orçamento dos pavimentos obtidos pelo SisPav ... 76
Tabela 23: Orçamento dos pavimentos obtidos pelo IMT-PAVE ... 77
AASHTO American Association of State Highway Transportation Officials
ABEDA Associação Brasileira das Empresas Distribuidoras de Asfaltos ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
CAP Cimento Asfáltico de Petróleo
CBUQ Concreto Betuminoso Usinado a Quente
DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem
DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes ISC Índice de Suporte Califórnia
MR Módulo de Resiliência
SCT Secretaría de Comunicaciones y Transportes
SICRO Sistema de Custos Referenciais de Obras SNV Sistema Nacional de Viação
USACE Corpo de Engenheiros do Exército dos Estados Unidos VMD Volume médio diário
1.1 CONTEXTO ... 15 1.2 PROBLEMA ... 16 1.2.1 Questões de Pesquisa ... 16 1.2.2 Objetivos de Pesquisa ... 17 1.2.3 Delimitação ... 18 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 19 2.1 REVESTIMENTO ASFÁLTICO ... 19 2.1.1 Um Breve Histórico ... 21 2.2 DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS ... 22
2.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS DE BASE, SUB-BASE E REFORÇO DO SUBLEITO ... 22
2.3.1 Índice de Suporte Califórnia (ISC) ... 23
2.3.2 Módulo de Resiliência ... 24
2.4 MATERIAIS DE BASE, SUB-BASE E REFORÇO DO SUBLEITO ... 26
2.4.1 Estruturas típicas de pavimentos asfálticos ... 27
2.5 MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS .. 28
2.5.1 Método do DNER ... 28
2.5.2 Método de Dimensionamento Mecanístico-Empírico de Pavimentos Asfálticos – SISPAV ... 35 2.5.3 IMT_PAVE ... 46 2.6 ORÇAMENTO ... 51 3 MÉTODO DE PESQUISA ... 53 3.1 ESTRATÉGIA DE PESQUISA ... 53 3.2 DELINEAMENTO ... 53
3.5.1 Solo Cimento ... 57
3.5.2 Material Fresado ... 59
3.5.3 Brita Graduada e Macadame Seco ... 61
3.6 MÓDULO DE RESILIÊNCIA – MR ... 62
4 RESULTADOS ... 64
4.1 ENSAIOS DE LABORATÓRIO ... 64
4.1.1 Granulometria ... 64
4.1.2 Ensaio de Compactação ... 66
4.1.3 Ensaio Índice de Suporte Califórnia - ISC ... 67
4.2 DIMENSIONAMENTO ... 68
4.2.1 Dimensionamento pelo SisPav ... 68
4.2.2 Dimensionamento pelo IMT-PAVE ... 69
4.2.3 Dimensionamento pelo DNER ... 70
4.3 ORÇAMENTO ... 71
4.3.1 Orçamento Básico dos Materiais ... 73
4.3.2 Orçamento para as espessuras dos pavimentos obtidos pelo SisPav ... 76
4.3.3 Orçamento para as espessuras dos pavimentos obtidos pelo IMT-PAVE 76 4.3.4 Orçamento para as espessuras dos pavimentos obtidos pelo DNER ... 77
5 CONCLUSÃO ... 79
1 INTRODUÇÃO
1.1 CONTEXTO
Ao tratar-se de pavimentos flexíveis, o revestimento asfáltico é a soluções mais tradicional utilizada. Segundo dados da Associação Brasileira das Empresas Distribuidoras de Asfalto (ABEDA), mais de 90% das estradas pavimentadas nacionais são de revestimento asfáltico. Ainda, conforme o Sistema Nacional de Viação (SNV), apenas pouco mais de 12% das estradas brasileiras são pavimentas, no entanto, é pelas estradas que escoam mais de 58% do volume nacional de cargas.
A carência de pavimentos urbanos é grande em praticamente todas as cidades brasileiras, principalmente as de pequeno e médio porte, entretanto, cabe salientar que, quando se fala em pavimentos urbanos, abrange-se desde as principais vias da cidade, até vias de circulação de distritos, ligações às rodovias maiores e estradas vicinais.
O déficit de pavimentação, afeta não só a economia como um todo, que talvez seja a mais prejudicada, mas influi diretamente na qualidade de vida e no bem-estar da população, sem falar no conforto e na segurança que uma via bem pavimentada e em boas condições, proporciona.
Na maioria dos municípios de pequeno e médio porte, os pavimentos, são executados por pequenas empresas, segundo a sua experiência, com poucos recursos e praticamente sem nenhum controle tecnológico adequado, além de serem muito limitadas quanto ao dimensionamento e aplicação de novas tecnologias.
Diante do exposto, optou-se por desenvolver a presente pesquisa, voltada ao dimensionamento de pavimento flexível para baixo volume de tráfego, de uma via local, utilizando três métodos distintos, empregando materiais da região e realizando um comparativo financeiro entre os mesmos, visando avaliar também qual método se destaca, em termos funcionais e financeiros.
1.2 PROBLEMA
Estradas pavimentadas, proporcionam dinamismo da economia, assegura o direito de mobilidade dos cidadãos, além se ser um meio de desenvolvimento e de bem-estar. Porém, pavimento asfáltico pode ser considerado artigo de luxo quando se trata de estradas vicinais, devido principalmente, ao seu custo elevado.
Tendo em vista que o método brasileiro de dimensionamento, método do DNER atual DNIT, descende da década de 60, onde a revisão atual decorre de 1981, sendo que não houve mudanças significativas no método de lá pra cá, porém, a frota de veículos, em questão de carga e pressão dos pneus (principais agentes nocivos do pavimento), evoluiu significativamente, além do mais, houve grandes avanços em estudos, e métodos de análise do comportamento dos materiais empregados na pavimentação asfáltica, o que possibilita a inserção de novos parâmetros para o dimensionamento. Sendo um que vem crescendo sua utilização nas últimas décadas, principalmente como um dos coeficientes de entrada, é o módulo de resiliência, que caracteriza melhor o comportamento do material, em relação ao ISC, tratando-se de pavimentação asfáltica.
Neste sentido, este trabalho tem o intuito de dimensionar o pavimento de uma via local, por diversos tipos de dimensionamento, bem como analisar qual método está mais condizente com a realidade local, e orçar os pavimentos, tendo como base, preferencialmente, materiais da região, e estar realizando, informalmente, uma comparação entre os métodos analisados.
1.2.1 Questões de Pesquisa
A questão principal deste trabalho consiste em:
• Determinar qual alternativa de pavimento asfáltico, dentre os estudados, utilizando materiais regionais, destaca-se financeiramente?
As questões secundarias são:
• Qual o comportamento dos materiais? • Quais as alternativas de pavimentos? • Quais os materiais disponíveis na região? • Quais materiais da região podem ser utilizados?
• Qual método de dimensionamento resultou em um pavimento mais delgado?
1.2.2 Objetivos de Pesquisa
O objetivo principal é dimensionar um pavimento por três métodos diferentes, utilizando materiais regionais, sendo os métodos: o método do DNER, revisão de 1961, de autoria do Eng. Murillo Lopes de Souza, o método da Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) do México, empregando o software IMT-PAVE e utilizando o Software SisPav, além de realizar o comparativo financeiro entre os pavimentos dimensionados.
Os objetivos específicos são: Revisar a bibliografia sobre:
o Pavimentação asfáltica;
o Dimensionamento de pavimentos asfálticos; o Mecânica dos Pavimentos (Módulo de resiliência); o ISC (CBR);
o Contagem de tráfego e número “N”;
o Materiais empregados em pavimentos asfálticos; o Método do DNER, de dimensionamento asfáltico; o Método da SCT do México, através do IMT-PAVE;
o Método de Dimensionamento Mecanístico-Empírico de Pavimentos Asfálticos – SISPAV
Definir uma via local para o estudo;
Realizar a contagem do tráfego da via em estudo, e cálculo do número “N”; Dimensionar o pavimento pelos métodos:
o DNER; o IMT-PAVE; o SISPAV.
Orçar os pavimentos dimensionados;
1.2.3 Delimitação
A pesquisa foi delimitada em realizar a revisão bibliográfica, definir uma via para o estudo, realizar a contagem de tráfego “N”, realizar ensaio para determinar a resistência do solo da via, dimensionar o pavimento por três métodos de dimensionamento de pavimentos, utilizando preferencialmente materiais da região, sendo os métodos: o método do DNER desenvolvido pelo eng. Murilllo Lopes de Souza, o manual da Secretaria de Comunicação e Transportes (SCT) do México, através do software IMT-PAVE. Sendo o terceiro, o Método de Dimensionamento Mecanístico-Empírico de Pavimentos Asfálticos - SISPAV, desenvolvido na tese de doutorado de Felipe Augusto Cinque de Proença Franco em 2007, o qual será a base no novo método de dimensionamento brasileiro. Posterior ao dimensionamento, será realizado o comparativo financeiro entre os mesmos.e
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 REVESTIMENTO ASFÁLTICO
Revestimento asfáltico é a camada superior destinada a resistir diretamente às ações do tráfego e transmiti-las, dissipando-as, para as camadas inferiores, além de impermeabilizar o pavimento e melhorar as condições de trafegabilidade.
Pavimento é uma estrutura de múltiplas camadas de espessuras finitas, construída sobre a superfície final de terraplanagem, destinada técnica e economicamente a resistir aos esforços oriundos do tráfego de veículos e do clima, e a proporcionar aos usuários melhoria nas condições de rolamento, com conforto, economia e segurança. (BERNUCCI et al., 2006, p. 9).
De modo geral, os pavimentos são classificados em três grupos: pavimentos flexíveis, semirrígidos e rígidos. O DNIT (2006) define-os da seguinte maneira:
- Pavimento Flexível: aquele em que todas as camadas sofrem deformação elástica significativa sob o carregamento aplicado e, portanto, a carga se distribui em parcelas aproximadamente equivalentes entre as camadas. Sendo um exemplo típico, um pavimento constituído por uma base granular, revestida por uma camada asfáltica.
- Pavimento Semirrígido: caracteriza-se por uma base cimentada por algum aglutinante com propriedades cimentícias, como por exemplo, por uma camada de solo cimento revestida por uma camada asfáltica.
- Pavimento Rígido: aquele em que o revestimento tem uma elevada rigidez em relação às camadas inferiores e portanto, absorve praticamente todas as tensões provenientes do carregamento aplicado. Sendo um exemplo típico, um pavimento constituído por lajes de concreto cimento Portland.
Conforme Bernucci et al. (2006), pavimento asfáltico é formado por quatro camadas principais: revestimento asfáltico, base, sub-base e reforço do subleito, conforme a Figura 1. O revestimento asfáltico pode ser composto por camada de rolamento e por camadas intermediarias ou de ligação, dependendo do tráfego, e dos materiais disponíveis, pode-se ter ausência de algumas camadas, as camadas da estrutura repousam sobre o subleito, ou seja, sobre a superfície de terraplanagem concluída.
O revestimento asfáltico é a camada superior destinada a resistir diretamente às ações do tráfego e transmiti-las de forma atenuada às camadas inferiores, além de impermeabilizar o pavimento e melhorar as condições de rolamento, proporcionando conforto e segurança. As tensões e deformações induzidas na camada asfáltica pelas cargas do trafego estão associadas ao trincamento por fadiga da mesma, podendo ainda apresentar trincamento por envelhecimento do ligante.
As camadas de base, sub-base e reforço do subleito são de grande importância estrutural. Limitar as tensões e deformações na estrutura do pavimento, por meio de combinação de materiais e espessuras das camadas constituintes, é o objetivo da mecânica dos pavimentos (Medina, 1997).
Na Figura 1, tem-se as camadas que geralmente constituem um pavimento asfáltico.
Figura 1: Camadas constituintes de um pavimento asfáltico.
Fonte: Bernucci et al. (2006)
Ainda, de acordo com Bernucci et al. (2006), os pavimentos asfálticos são constituídos por associação de agregados e de materiais asfálticos, sendo as duas principais maneiras, por penetração ou por mistura. Por penetração refere-se aos executados através da aplicação de material asfáltico e de idêntico número de espalhamento e compressão de camadas de agregados. No revestimento por mistura, o agregado é pré-envolvido com material asfáltico, antes da compressão.
2.1.1 Um Breve Histórico
Falar sobre a história da pavimentação, reporta também a própria história da humanidade, contemplando o povoamento dos continentes, as conquistas territoriais, as inter-relações comerciais e culturais, além da urbanização e do desenvolvimento.
No Brasil, destacam-se alguns marcos referentes a pavimentação, em 1916 foi realizado o I Congresso Nacional de Estradas de Rodagem no Rio de Janeiro. Em 1937, ocorre a criação do Departamento Nacional de Rodagem (DNER), este subordinado ao Ministério de Viação e Obras Públicas.
Na década de 1940, nota-se um avanço de pavimentação, decorrente da tecnologia desenvolvida durante a 2ª Guerra Mundial, em 1942, ocorre o contato de engenheiros brasileiros com engenheiros norte-americanos, os quais dimensionavam pavimentos, utilizando o recém-desenvolvido, ensaio do Índice de Suporte Califórnia (CBR), neste mesmo ano, o Brasil possuía apenas cerca de 1300Km de rodovias pavimentadas, ficando entre as menores extensões da américa latina.
Em 1946, é criado o Fundo Rodoviário Nacional (FRN), o que impulsionou o crescimento na construção rodoviária brasileira, destacando-se ainda a criação da Petrobras em 1953, o Instituto de Pesquisas Rodoviárias (IPR) em 1958, a Associação Brasileira de Pavimentação (ABPv), em 1959 e a inauguração de Brasília em 1960.
Voltando para fatos mais contemporâneos, conforme dados de 2014 do Sistema Viário Nacional (SNV), o Brasil possui 1,7 milhão de quilômetros de estradas, destas, somente 12,9% (221.820 Km) são pavimentadas, enquanto que na Europa e Estados Unidos, mais de 50% das estradas são pavimentas, sendo que a média da América do Sul é de mais de 20%. Isso só demonstra a situação rodoviária brasileira, que se encontra precária e estagnada, tanto do ponto de vista tecnológico, como funcional, se não bastasse possuir uma malha viária pavimentada muito pequena, boa parte destas não oferece condições satisfatórias trafegabilidade, de conforto e segurança.
2.2 DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS
Conforme Bernucci et al. (2006), as estruturas de pavimentos são sistemas de camadas assentadas sobre uma fundação chamada subleito. O comportamento estrutural depende da espessura de cada uma das camadas, da rigidez do subleito, bem como da interação entre as diferentes camadas do pavimento.
Pavimentos Flexíveis, geralmente associados aos pavimentos asfáltico, conforme já explanado anteriormente, são compostos por uma camada superficial asfáltica, denominado revestimento, apoiada sobre camadas de base, de sub-base e de reforço do subleito, camadas estas que podem ser constituídas por materiais granulares, solos ou misturas de solos, porém sem adição de agentes cimentantes, visto que se adiciona-los, o pavimento se enquadraria em pavimentos semirrígidos e não mais em flexíveis. Ainda, dependendo do tráfego, do subleito, da espessura e da rigidez das camadas e das condições do ambiente, uma ou mais camadas podem ser suprimidas. Ainda segundo Bernucci et al. (2006), o pavimento deve ser dimensionado, para o tráfego previsto no período de projeto e para as condições climáticas a que estará sujeito, as camadas devem resistir aos esforços solicitantes e transferi-los às camadas subjacentes. As tensões e deformações as quais a estrutura está sujeita dependem principalmente da espessura das camadas e da rigidez dos materiais. Se a estrutura foi bem projetada e construída para as cargas que atuarão, essas cargas gerarão deslocamentos que não provocarão a ruptura ou deformação excessiva.
Ou seja, as estruturas de pavimento, são projetadas para resistirem a numerosas solicitações de carga, dentro do período de projeto, sem que haja danos estruturais acima dos aceitáveis e previstos, sendo os principais danos considerados são a deformação permanente e a fadiga.
2.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS DE BASE, SUB-BASE E REFORÇO DO SUBLEITO
De acordo com o DNIT (2006), até a década de 70, os métodos de dimensionamento usualmente empregados no brasil caracterizam-se por enfocar, basicamente, a capacidade de suporte dos pavimentos em termos de ruptura plástica sob carregamento estático, retratada através do valor do CBR. No entanto, observa-se que boa parte da malha rodoviária vinha apresentando uma deterioração prematura, que era atribuída à fadiga dos materiais gerada pela contínua
solicitação dinâmica do tráfego atuante. Esta realidade acabou por dar ensejo à introdução, no país, de estudos da resiliência de materiais empregáveis em pavimentos, permitindo assim, avaliar-se comportamentos estruturais até então não explicáveis pelos procedimentos clássicos e efetuar-se uma abordagem mais realista desta problemática.
No Brasil, para o dimensionamento de estruturas de pavimentos, historicamente utiliza-se como parâmetro de caracterização mecânica, principalmente o CBR, também chamado Índice de Suporte Califórnia (ISC), e nas últimas décadas vem crescendo o uso do Módulo de Resiliência. A caracterização e ensaios a esses dois parâmetros são brevemente apresentados a seguir.
2.3.1 Índice de Suporte Califórnia (ISC)
Conforme Bernucci et al. (2006), a resistência no ensaio ISC é uma resposta que combina indiretamente a coesão com o ângulo de atrito do material, expresso em porcentagem, sendo definido como a relação entre a pressão necessária para produzir penetração de um pistão num corpo-de-prova de solo ou material granular e a pressão necessária para produzir a mesma penetração no material padrão referencial.
O ensaio ISC, cujo procedimento é regido pela NBR 9895 (ABNT, 2016), de forma sucinta consiste nas seguintes etapas:
• Moldagem do corpo-de-prova: solo ou material passado na peneira ¾”, compactado na massa específica, e umidade de projeto, em um molde cilíndrico de 150mm de diâmetro e 125mm de altura.
• Imersão do corpo-de-prova: imerge-se o cilindro com a amostra compactada dentro, em um recipiente cheio de água, por quatro dias, durante todo o período de imersão é empregada uma sobrecarga padrão de 10lbs, sobre o corpo-de-prova, que corresponde a 2,5 polegadas de espessura de pavimento sobre o material. Fazem-se leituras por meio de um extensômetro, a cada 24 horas, calculando a expansão axial do material em relação à altura inicial do corpo-de-prova.
• Penetração do corpo-de-prova: feita através de puncionamento na face superior da amostra por um pistão com aproximadamente 50mm de diâmetro, sob uma velocidade de penetração de 1,25mm/min, registra-se as pressões do pistão e os deslocamentos correspondentes, de forma a
possibilitar a plotagem de uma curva pressão-penetração, na qual se define os valores de pressão correspondentes a 2,54mm (P0,1”) e 5,08mm (P0,2”).
O ISC é calculado para as penetrações de 2,54mm e 5,08mm seguindo as expressões:
Onde:
P0,1”= pressão correspondente à penetração de 2,54mm (0,1”) em kgf/cm²
P0,2”= pressão correspondente à penetração de 5,08mm (0,2”) em kgf/cm²
Ainda segundo Bernucci et al. (2006), solos que apresentam valores significativos de expansão sofrem deformações consideráveis ao serem solicitados, costuma-se estipular que o valor máximo de expansão do subleito seja de 2%, medida axialmente, no ensaio ISC. Sendo desejável a utilização em pavimentos de um material que não perca consideravelmente sua resistência quando entra em contato com a água, em outras palavras, é desejável que a diferença entre a capacidade de suporte antes de imersão e após, seja pequena ou muito reduzida.
2.3.2 Módulo de Resiliência
A Norma DNIT 134 (2010), define Módulo de Resiliência (MR) dos solos, como a relação entre a tensão-desvio (σd), aplicada repetidamente em uma amostra de solo e a correspondente deformação específica vertical recuperável ou resiliente (εr), conforme a equação a seguir:
Segundo o Manual de Pavimentação (DNIT, 2006),as deformações resilientes são deformações elásticas no sentido de que são recuperáveis, entretanto, não variam necessariamente de modo linear com as tensões aplicadas, e dependem de vários fatores de que não são considerados no conceito convencional de elasticidade , tais como o número de repetições da tensão-desvio, história de tensões, duração e frequência do carregamento, nível de tensão aplicada, e se tratando
de solos finos coesivos, além dos fatores já citados, destaca-se ainda a umidade e massa específica de moldagem.
Conforme Bernucci et al. (2006), a recomendação de substituir o ISC e outros valores de resistência de materiais pelo módulo de resiliência (MR), foi baseado nas seguintes razões:
• O MR indica uma propriedade básica do material que pode ser utilizada na análise mecanística de sistemas de múltiplas camadas;
• O MR é um método aceito internacionalmente para caracterizar materiais para o projeto de pavimentos e para sua avaliação de desempenho;
• Há técnicas disponíveis para estimar o módulo de resiliência em campo, com testes rápidos e não-destrutíveis, o que facilita a uniformização entre os procedimentos de dimensionamento de pavimentos novos e de reforço de pavimentos antigos.
Ainda segundo Bernucci et al. (2006), para a determinação do módulo de resiliência de materiais de pavimentação, têm-se utilizado equipamentos de carga repetida em laboratório. O material a ser ensaiado é compactado nas condições de estado representativas do projeto e obra, com altura de pelo menos duas vezes o diâmetro. A aplicação da carga é semi-senoidal por se aproximar da forma de carregamento correspondente à passagem de roda, o tempo de duração da aplicação total da carga é de 0,1 segundo e o repouso de 0,9 segundo, são utilizadas diferentes tensões de confinamento σ3, dada por pressão de ar dentro da célula, e tensões solicitantes σ1, aplicadas por célula de carga.
A Figura 2 representa os deslocamentos do corpo-de-prova durante ciclos de repetição de carga, uma parcela é deslocamento recuperável e outra é acumulada ou permanente, sendo desejável que os deslocamentos permanentes sejam de pequena magnitude.
Figura 2: Tensões aplicada e deslocamento no ensaio de carga repetida
Fonte: Bernucci et al. (2006)
2.4 MATERIAIS DE BASE, SUB-BASE E REFORÇO DO SUBLEITO
Os materiais de base, sub-base e reforço do subleito são classificados segundo seu comportamento frente aos esforços em: materiais granulares e solos, materiais estabilizados e quimicamente cimentados, e materiais asfálticos.
Conforme Bernucci et al. (2006), entende-se por materiais granulares aqueles que não possuem coesão e que não resistem a tração, trabalhando eminentemente aos esforços de compressão. Os solos coesivos resistem principalmente à compressão, e também a tração de pequena magnitude, graças à coesão dada pela fração fina. Os materiais cimentados são materiais granulares ou solos que recebem adição de cimento, cal ou outro aditivo, que proporcione um acréscimo significativo de rigidez do material natural e um aumento da resistência à compressão e a tração. Há ainda misturas asfálticas e solo-asfalto, que se destinam à camada de base e que poderiam ser classificadas como coesivas, porém, como a resistência à tração é bem superior aos solos argilosos, são enquadrados em classe diferente dos solos e dos materiais cimentados.
Tratando-se de materiais granulares e solos, os mais empregados em pavimentação, são: brita graduada simples (BGS) e brita corrida ou bica, macadames (hidráulico ou seco), misturas estabilizadas granulometricamente, solo-agregado, solo natural, solo melhorado com cimento ou cal. Além de outros materiais decorrentes de reutilização e reciclagem, tais como: material asfáltico fresado, agregado reciclado de resíduo de construção civil e demolições, entre outros materiais.
Já os materiais cimentados mais empregados, geralmente são: a brita graduada tratada com cimento (BGTC), solo-cimento, solo-cal, solo-cal-cimento, e o concreto rolado (CCR), que nada mais é do que concreto compactado a rolo. Contudo, cabe salientar que, apesar de neste trabalho abordar-se na revisão bibliográfica, materiais cimentados, sabe-se que estes não constituem pavimentos flexíveis e sim pavimentos semirrígidos e rígidos.
Quanto as misturas asfálticas, usualmente mais empregadas na base, sub-base e reforço do subleito, são: solo-emulsão, solo-asfalto, base asfáltica de módulo elevado e macadame betuminoso.
2.4.1 Estruturas típicas de pavimentos asfálticos
Na Figura 3, apresenta-se algumas combinações de materiais e de camadas, usualmente utilizadas no país, observa-se seções para tráfegos pesados como para vias de baixo tráfego. Cabe salientar que não se trata de um catálogo ou algo do tipo, mas apenas exemplos de uso dos materiais em combinação com alguns tipos de revestimentos asfálticos.
Segundo Bernucci et al. (2006), as espessuras das camadas não são apresentadas pois dependem de dimensionamento estrutural que deve ser feito caso a caso. Para isso deve ser empregado de preferência um método de dimensionamento que considere a estrutura do pavimento como um sistema em camadas e que utiliza os dados de módulos de resiliência dos materiais do subleito e das camadas, inclusive do revestimento, para calcular as espessuras necessárias em função do tráfego e do clima.
Ainda, para ilustrar faixas usuais, as espessuras dos revestimentos vão desde alguns milímetros, como os tratamentos superficiais simples, até uma a duas dezenas de centímetros de misturas usinadas; as camadas de base e sub-base podem apresentar espessuras da ordem de uma a três dezenas de centímetros, enquanto o reforço do subleito pode ser de uma a três ou mesmo quatro dezenas de centímetros.
2.5 MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS
Neste trabalho, estudaremos três métodos de dimensionamento de pavimentos flexíveis, sendo estes, o método do DNER de autoria do Eng. Murillo Lopes de Souza, o método da SCT, através do software IMT-PAVE e utilizando o Software SisPav, o qual será a base no novo método de dimensionamento brasileiro.
2.5.1 Método do DNER
O método de dimensionamento de pavimento flexível do DNER (Departamento Nacional de Estradas e Rodagem), atual DNIT (Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes), foi desenvolvido em 1981, pelo Eng. Murillo Lopez Souza, tendo como base o trabalho "Design of Flexible Pavements Considering Mixed Loads and Traffic Volume", do Corpo de Engenheiros do Exército dos Estados Unidos e conclusões obtidas na Pista Experimental da AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials).
A capacidade de Suporte do subleito e dos materiais constituintes dos pavimentos é feita pelo CBR. Os materiais do subleito devem apresentar uma expansão, medida no ensaio CBR, menor ou igual a 2% e um CBR ≥ 2%.
O Subleito e as diferentes camadas do pavimento devem ser compactadas de acordo com os valores fixados na especificações gerais, sendo recomendável, que o grau de compactação calculado estaticamente, não deve ser inferior a 100% do que foi especificado.
O Manual de Pavimentação (DNIT, 2006), traz alguns parâmetros para os materiais empregados no pavimento:
I. Materiais para reforço do subleito: os que apresentam CBR maior que o do subleito e expansão ≤ 1% (medida com sobrecarga de 10 lb);
II. Materiais para sub-base: os que apresentam CBR ≥ 20%, IG=0 e expansão ≤ 1% (medida com sobrecarga de 10 lb);
III. Materiais para base: os que apresentam CBR ≥ 80% e expansão ≤ 0,5%, Limite de Liquidez ≤ 25% e Indice de plasticidade ≤ 6%.
Caso o limite de liquidez seja superior a 25% e/ou o índice de plasticidade seja superior 6, o material pode ser empregado em base (satisfeita as demais condições), desde que o equivalente de areia seja superior a 30.
Para um número de repetições do eixo-padrão, durante o período do projeto N ≤ 5x106,
podem ser empregados materiais com CBR ≥ 60%.
Os materiais para base e sub-base devem se enquadrar numa das seguintes faixas granulométricas, conforme Figura 4.
Figura 4: Granulometria para base granular
O Manual de Pavimentação (DNIT, 2006), determina ainda que A fração que passa na peneira n° 200 deve ser inferior a 2/3 da fração que passa na peneira n° 40. A fração graúda deve apresentar um desgaste Los Angeles igual ou inferior a 50, podendo ser aceito um valor de desgaste maior, desde que haja experiência no uso do material.
Quanto ao tráfego, o pavimento é dimensionado em função do número equivalente (N) de operações de um eixo tomado como padrão, durante o período de projeto, que teria o mesmo efeito que o tráfego previsto sobre a estrutura do pavimento.
De acordo com Manual de Pavimentação (DNIT, 2006), sendo V1 o volume médio de tráfego no ano de abertura, num sentido e admitindo-se uma taxa t% de crescimento anual, em progressão aritmética, o volume médio diário de trafego, Vm, (num sentido) durante o período P anos, será dado pela fórmula:
O volume total de tráfego, (num sentido) durante o período, Vt, será dado pela fórmula:
Admitindo-se uma taxa t% de acréscimo anual em progressão geométrica, o volume total do tráfego, Vt, durante o período é dado por:
Conhecido Vt, calcula-se N, que é o número equivalente de operações do eixo simples padrão durante o período de projeto e o parâmetro de trafego usado no dimensionamento, dado por:
N = Vt x FE x FC x FR x FS Onde:
Vt = tráfego acumulado para o período de projeto; FE = Fator de eixos;
FC = Fator de carga; FV = Fator de veículo;
FR = Fator Regional, atualmente utiliza-se FR = 1,0; FS = Fator de sentido, pista simples FS= 0,5;
Resumidamente, FE é um fator de eixos, isto é, um número que, multiplicado pelo número de veículos, dá o número de eixos correspondentes. FC é um fator de carga, isto é, um número que, multiplicado pelo número de eixos que operam, dá o número de eixos equivalentes ao eixo padrão. FV é um fator de veículo, isto é, um número que multiplicado pelo número de veículos que operam, dá, diretamente, o número de eixos equivalentes ao eixo padrão.
Para o cálculo de FE, FC, e FV, é necessário conhecer a composição de tráfego, para isto, é necessário fazer uma contagem do tráfego na estrada que se está considerando, estudando-se um certo volume total de tráfego, Vt, para o período de amostragem.
Conforme o Manual de Estudos de Tráfego (DNIT, 2006), a conversão do tráfego misto em um número equivalente de operações de um eixo considerado padrão é efetuada aplicando-se os chamados Fatores de Equivalência de Cargas (FC). Estes fatores permitem converter uma aplicação de um eixo solicitado por uma determinada carga em um número de aplicações do eixo-padrão que deverá produzir um efeito equivalente.
Sabe-se que as cargas dos veículos causam deflexões nas camadas do pavimento e alteram o estado de tensões e deformações. Cada carga provoca um efeito destrutivo e reduz a vida remanescente do pavimento. Diferentes configurações de eixos e cargas, produzem deflexões diferenciadas, que reduzem a vida útil do pavimento de diversas maneiras. Os fatores de equivalência de carga por eixo são utilizados para fazer conversões das várias possibilidades de carga por eixo em número de eixo-padrão, Manual de Estudos de Tráfego (DNIT, 2006).
Os trechos experimentais da AASHTO e do USACE (Corpo de Engenheiros do Exército Norte-americano), forneceram subsídios para o desenvolvimento de fatores de equivalência de carga por eixo. As expressões para cálculo dos fatores de equivalência de carga, são apresentados na Figura 5 (AASHTO), e na Figura 6 (USACE), onde, em ambas, P = Peso bruto sobre o eixo.
Figura 5: Fatores de Equivalência de carga da AASHTO
Fonte: Manual de Estudos de Tráfego (DNIT,2006)
Figura 6: Fatores de Equivalência de carga do USACE
Fonte: Manual de Estudos de Tráfego (DNIT,2006)
Calculado o número N, parte-se para a Espessura Mínima de Revestimento, a qual é recomendada conforme Figura 7.
Figura 7: Espessura mínima de revestimento betuminoso
Fonte: Manual de Pavimentação (DNIT,2006)
As espessuras recomendadas, visam especialmente as bases de comportamento puramente granular e são definidas pelas observações efetuadas. No caso de adoção de tratamentos
superficiais, as bases granulares devem possuir alguma coesão, pelo menos aparente, seja à capilaridade ou a entrosamento de partículas, DNIT (2006).
Quanto ao dimensionamento do pavimento, o ábaco da Figura 8, dá a espessura total do pavimento, em função de N e do CBR, a espessura fornecida por este gráfico é em termos de material com K=1,00, isto é, em termos de base granular. Entrando-se em abcissas, com o valor de N, procede-se verticalmente até encontrar a reta representativa da capacidade de suporte (CBR ou I.S.) em causa e, procedendo-se horizontalmente, então, encontra-se, em ordenadas, a espessura do pavimento.
Figura 8: Determinação de espessura do pavimento
O Manual de Pavimentação (DNIT, 2006), orienta ainda, que as espessuras máxima e mínima de compactação das camadas granulares são de 20cm e 10cm, respectivamente, sendo a espessura construtiva mínima para estas camadas é de 15 cm.
A Figura 9, apresenta simbologia utilizada no dimensionamento do pavimento, Hm designa, de modo geral, a espessura total de pavimento necessário para proteger um material com C.B.R. ou I.S. = CBR ou IS = m, etc., hn designa, de modo geral, a espessura de camada do pavimento com C.B.R. ou I.S. = n, etc. Mesmo que o C.B.R. ou I.S. da sub-base seja superior a 20, a espessura do pavimento necessário para protegê-la é determinada como se esse valor fosse 20 e, por esta razão, usam-se sempre os símbolos, H20 e h20 para designar as espessuras de pavimento sobre sub-base e a espessura de sub-base, respectivamente. Os símbolos B e R designam, respectivamente, as espessuras de base e de revestimento, Manual de Pavimentação (DNIT, 2006).
Figura 9: Dimensionamento do pavimento
Fonte: Manual de Pavimentação (DNIT,2006)
Uma vez determinada as espessuras Hm, Hn, H20, e R, as espessuras de base (B), sub-base (h20) e reforço do subleito (hn), são obtidas pela resolução sucessiva das seguintes inequações:
RKR+BKB ≥ H20
RKR+BKB+h20 Ks ≥ Hn
RKR+BKB+h20 KS +hn KRef ≥ Hm
O método de dimensionamento do DNER, baseado no método original do USACE, e o da AASHTO visam a proteção do subleito contra a geração de deformações plásticas excessivas durante o período de projeto. São métodos empíricos, com base experimental referente a condições climáticas e de solos nos EUA, e tem garantido essa proteção quando aplicados no Brasil, haja vista a rara ocorrência de afundamentos em trilha de roda, significativos nos pavimentos
dimensionados por esses métodos. Pode-se até mesmo falar em um superdimensionamento, que seria explicado pela ausência, no Brasil, da condição crítica correspondente ao degelo da primavera, Manual de Pavimentação (DNIT, 2006).
2.5.2 Método de Dimensionamento Mecanístico-Empírico de Pavimentos Asfálticos – SISPAV
Como já citado, o dimensionamento de um pavimento visa garantir que as repetições de esforços provenientes do tráfego, não danifiquem as camadas constituintes do pavimento, nem o subleito. Sendo as patologias mais comuns, o trincamento por fadiga e o afundamento do trilho de roda, porém, muitos pavimentos asfálticos não foram dimensionados levando em conta os efeitos da fadiga, pois consideravam somente os efeitos no subleito, que é o caso do método empírico do DNER de 1981.
Conforme Franco (2007), em um dimensionamento, espera-se que a estrutura do pavimento seja adequadamente projetada, evitando que se atinjam prematuramente os valores admissíveis de qualquer um dos índices que estime o dano acumulado ou suas condições de serventia. Salienta ainda, que o procedimento de dimensionamento mecanístico-empírico, consiste basicamente nas seguintes etapas:
- Reunir os dados relativos aos materiais de pavimentação, ao tráfego e as condições ambientais;
- Correlacionar os dados de resistência dos materiais e o tráfego, em função das épocas sazonais e o comportamento dos materiais conforme o tipo de solicitação;
- Definir as espessuras de cada camada e calcular as tensões e deformações, considerando as diversas correlações obtidas;
- Relacionar os valores de tensões e deformações críticas, com os danos que as repetições das cargas podem acarretar ao pavimento através de modelos de previsão;
- E por fim, verificar se as espessuras adotadas, satisfazem as condições impostas no dimensionamento.
O pavimento asfáltico pode ser representado como uma estrutura de camadas superpostas, submetido a um carregamento. A Figura 10 apresenta a forma mais usual de representação de um pavimento, com as principais tensões, deformações e deslocamentos em pontos críticos de um pavimento asfáltico.
Figura 10: Esquema representativo das tensões, deformações e deslocamentos.
Fonte: Franco (2007)
Ainda segundo Franco (2007), a partir da caracterização da estrutura e dos materiais que a constitui, tais como as espessuras das camadas, módulos de resiliência, os coeficientes de Poisson, e da composição do tráfego, o comportamento do pavimento pode ser estimado através do cálculo das tensões, deformações e deslocamentos gerados na estrutura. A teoria da elasticidade é amplamente utilizada como instrumento para o cálculo dessas variáveis (tensões, deformações e deslocamentos), e os métodos em uso para esses cálculos consideram os materiais segundo dois comportamentos tensão-deformação distintos, um com comportamento elástico linear e outro com comportamento elástico-não-linear.
Na tese do referido autor, ele desenvolve dois programas para o cálculo das tensões, deformações e deslocamentos. Um pelo Método dos Elementos Finitos Tridimensional (EFin3D), aproveitando rotinas específicas do programa RIOPAVE (também descrito na obra do autor), com base ainda em outros programas descritos pelo mesmo. Sendo o outro, o programa de cálculo de tensões e deformações com base na Teoria da Elasticidade (AEMC), o qual processa os cálculos com base no programa JULEA (também descrito na obra do autor), além das técnicas utilizadas
por RODRIGUES (1998) e HUANG (2003), que incorporam o programa AEMC, o qual após várias comparações com o EFin3D, foi selecionado e faz parte de um dos módulos que compõe o SisPav. Ambos não serão detalhados neste trabalho, visto que não é este o enfoque do mesmo, para mais descrições deve-se consular a obra do referido autor.
Sabe-se que o comportamento estrutural não é elucidado pelos métodos empíricos, tradicionalmente utilizados para o dimensionamento de pavimentos asfálticos, e conforme Franco (2007), na abordagem mecanicista é preciso estabelecer a relação tensão-deformação que ocorre nas camadas da estrutura em função do carregamento imposto pelo tráfego, para que possam ser calculadas pelas teorias mecanicistas. Porém sabe-se que grande parte dos materiais usados na pavimentação não possuem um comportamento elástico puro, pois observa-se com a aplicação de cargas, um acúmulo de deformações, onde parte é recuperável e chamada de resiliente, e parte é permanente ou plástica, pois não retorna ao estado inicial.
Franco (2007) descreve que outros fatores podem influenciar no comportamento resiliente dos materiais: pressão confinante, número de repetições da tensão desvio, história de tensões, duração e frequência da tensão desvio, tipo de agregado, graduação das partículas, densidade e umidade de compactação e grau de saturação, entre outros fatores.
De acordo com Franco (2007), a influência do ambiente nas estruturas de pavimentos é representada por alterações nas propriedades físicas dos materiais. O envelhecimento do ligante asfáltico e a variação do módulo de resiliência em materiais finos são exemplos dessa influência. O SisPav, considera o efeito da temperatura na camada asfáltica, resumidamente da seguinte forma, o ano de análise é divido em períodos, em cada período a distribuição de temperaturas é simulada com a divisão em cinco subestações, onde estimam-se as temperaturas no interior do revestimento de cada subestação e os módulos de resiliência da camada asfáltica.
Quanto ao carregamento da estrutura e a caracterização do tráfego, o SisPav considera o efeito sobre o pavimento de cada configuração de eixo selecionada pelo projetista dentro de um conjunto de eixos pré-estabelecida pelo programa. As coordenadas dos pontos em que são realizadas as análises devem estar ajustadas para os diversos tipos de eixos, permitindo assim, a avaliação dos efeitos sobre os diversos pontos no interior da estrutura de forma coerente. Os
sistemas de coordenadas, coincidem o eixo principal do dimensionamento com o eixo de simetria das áreas carregadas, conforme a Figura 11.
Figura 11: Sistema de coordenadas utilizado no SisPav.
Fonte: Franco (2007)
Ainda de acordo com Franco (2007), a carga de roda assumida no SisPav como sendo uniformemente distribuída em uma área de contato circular entre o pneu e a superfície do pavimento. A pressão de contato entre o pneu e o pavimento é assumida como sendo igual a pressão de inflação dos pneus, logo, o tamanho da área de contato, depende da carga de roda e da pressão de inflação dos pneus.
O SisPav, considera também a variação lateral do tráfego no acúmulo de danos no pavimento, conforme Franco (2007), o programa divide a distribuição normal do tráfego em nove partes e o cálculo dos danos se dá nos pontos indicados na Figura 12 .
Figura 12: Pontos de análise para consideração de variação lateral.
Fonte: Franco (2007)
Para calcular o efeito final de uma passagem do eixo sobre o pavimento em um ponto específico da estrutura o programa somará a contribuição de cada efeito de uma determinada posição na variação lateral, relativa a uma parcela de 11,1% (1/9) do tráfego, Franco (2007). Essa técnica não se aplica aos danos que apresentem uma relação linear com o carregamento, portanto, não pode ser utilizada para a avaliação da deformação permanente (afundamento da trilha de roda). A Figura 13, apresenta esquematicamente o fluxograma do método de dimensionamento, considerando os diversos tipos de configurações de eixos utilizados no SisPav e a variação lateral de tráfego.
Figura 13: Fluxograma simplificado do tratamento do tráfego.
Fonte: Franco (2007)
Quanto a caracterização do desempenho dos pavimentos asfálticos, Franco (2007), afirma que as manifestações do dano utilizados no método de dimensionamento do SisPav, como critérios de ruptura, são relativos a ruptura estrutural do pavimento. Sendo o critério que regerá o dimensionamento é a fadiga do revestimento asfáltico ou das camadas cimentadas, contudo, o programa permite utilizar outros três critérios complementares quando selecionados, como a tensão limite no topo do subleito, a deflexão máxima na superfície do pavimento e a deformação permanente (afundamento de trilha de roda).
A seguir na Figura 14, apresenta-se o fluxograma utilizado para o dimensionamento do SisPav, com os detalhes para análise da influência do clima, da combinação dos diversos tipos de eixos e da variação lateral do tráfego.
Figura 14: Fluxograma do método integrado de análise e dimensionamento do SisPav.
Fonte: Franco (2007)
O software SisPav dispõe de duas opções de análise, uma das análises só realiza uma verificação dos dados e requisitos definidos pelo projetista e informa a vida de projeto, a outra opção de análise é o dimensionamento da estrutura em si, onde o programa analisa os dados de entrada e encontra a espessura da camada que atenda aos requisitos de projeto. Franco (2007), afirma que nas duas análises o programa verifica os danos acumulados por fadiga no revestimento asfáltico ou, se for o caso, na base das camadas cimentadas. E como já descrito, o projetista pode ainda solicitar as estimativas de afundamento de trilha de roda e dos danos relativos a deflexão máxima na superfície do pavimento e a tensão limite no topo do subleito.
O programa SisPav buscou alinhar a praticidade e simplificação na entrada de dados, a agilidade e velocidade nos cálculos e processamento com a apresentação em gráficos e tabelas de fácil manipulação dos resultados (Franco, 2007).
Na Figura 15, tem-se a tela inicial do programa, que corresponde a tela Estrutura, que apresenta uma estrutura, que pode ser totalmente alterada, sendo permitido no mínimo três e no máximo, oito camadas. São apresentadas também informações em síntese das propriedades de cada uma das camadas.
Figura 15: Tela inicial do programa SisPav.
Fonte: Próprio Autor (2017)
O programa analisa a estrutura do pavimento não mais com o número equivalente de repetições do eixo padrão, mas avalia cada configuração de eixo isoladamente e com previsão da variação lateral do tráfego. A Figura 16, apresenta a tela Tráfego, onde deve-se inserir as informações de cada eixo previsto no tráfego de projeto, sendo possível inserir até 50 configurações de eixos, sendo possível variar o volume, a taxa de crescimento, carga e pressão dos pneus. Na
medida que os eixos são inseridos, o programa calcula automaticamente o número equivalente de operações do eixo padrão, conforme o método DNIT (2006).
Figura 16: Tela Tráfego do programa SisPav.
Fonte: Próprio Autor (2017)
Ainda segundo Franco (2007), o programa fixa as medidas das dimensões entre eixos (Sy), entre rodas (Sx), quando for o caso, e a variação lateral do tráfego para todas as configurações de eixo selecionadas, que valerão para todas as configurações de eixo selecionadas. Nesta janela é selecionada também a vida de projeto para qual o programa irá dimensionar a estrutura, assim como a variação anual de tráfego.
Na Figura 17, observa-se a tela Clima, onde o projetista define o local, caso o local não se encontre no banco de dados do programa, as informações de temperaturas médias mensais do ar, deverão ser inseridas manualmente. Franco (2007), salienta que outra informação importante a ser definida, é o mês do ano em que houve a abertura do tráfego, visando sinalizar ao programa qual a
Destaca ainda que todas as informações dessa janela são utilizadas na avaliação do envelhecimento do ligante asfáltico da camada de revestimento, além de influenciar os valores de módulo de resiliência e do coeficiente de Poisson da mesma.
Figura 17: Tela Clima do programa SisPav.
Fonte: Próprio Autor (2017)
Na Figura 18, tem-se a tela Modelos, onde o programa dispõe nove modelos de previsão do comportamento da estrutura do pavimento, são eles: Fadiga de misturas asfálticas; Fadiga de misturas de solo-cimento; Fadiga de materiais tratados com cimento; Deflexão admissível na superfície do pavimento; Deformação permanente de misturas asfálticas; Deformação permanente de material granular; Deformação permanente de solos lateríticos; Deformação permanente de solos finos, síltosos, ou argilosos e Tensão limite no subleito. Sendo possível ainda, alterar parâmetros dos mesmos.
Figura 18: Tela Modelos do programa SisPav.
Fonte: Próprio Autor (2017)
Quando se solicita ao programa a função de verificar a vida de projeto ou de dimensionar, automaticamente a tela Estrutura é exposta, após concluída a análise, é exibido uma mensagem com informações resumidas sobre os cálculos. A primeira linha indica se os modelos de danos são os do programa, ou foram alterados, na linha seguinte tem-se informações do valor e ao tipo do dano crítico na seção em análise. O programa verifica automaticamente qual foi o dano mais severo, entre os tipos selecionados pelo projetista para serem avaliados, (Franco, 2007). Informa ainda a estimativa de Vida do Projeto, o nível de confiabilidade utilizado na análise, e por último, o afundamento de trilha de roda estimado, conforme Figura 19.
Figura 19: Tela Estrutura, com informações finais de análise.
Fonte: Próprio Autor (2017)
Se a análise for de dimensionamento, nota-se a variação da espessura da camada definida ao longo das simulações do programa, ao final do processamento, caso tenha-se convergido a um valor ótimo, a espessura dimensionada é a apresentada na tabela. Se a análise for somente de verificação, as informações da estrutura não são alteradas.
É possível ainda, examinar os resultados da análise em formas gráficas ou em planilhas, além de poder gerar um relatório detalhado do resultado da análise.
2.5.3 IMT_PAVE
Criado pelo Instituto Mexicano do Transporte, lançado em 2013, o IMT-PAVE é um software para o cálculo de pavimentos flexíveis, possui uma interface bem simples, de fácil introdução de dados e interpretação dos resultados.
Conforme Garnica et al. (2016) o IMT-PAVE 3.0 é uma ferramenta para o projeto de pavimentos através de uma metodologia empírica-mecanistica, que enfatiza os aspectos de carga relacionando-os aos aspectos de danos ou danos acumulados, através da análise de esforços e deformações na estrutura do pavimento e sua correlação com os principais tipos de deterioração que apresenta.
De acordo com Vargas, Romero e Soriano (2014), esta ferramenta é baseada na análise de espectros de carga e de dano, com base nos princípios da mecânica de pavimentos, considerando propriedades elásticas dos materiais que compõe a espessura das camadas.
Ainda segundo Garnica et al. (2016), as metodologias empíricas-mecanisticas visam uma abordagem cientifica, com uma sólida estrutura teórica que permite a análise completa do comportamento de um pavimento, antes das ações do clima e do tráfego de veículos, onde as propriedades fundamentais dos materiais são conhecidas, uma vez que podem ser determinados em laboratório ou em campo, permitindo a previsão da deterioração por fadiga e da deformação permanente, aumentando a confiabilidade do dimensionamento.
Para Vargas, Romero e Soriano (2014), as respostas críticas de um pavimento flexível são calculadas com uma certa profundidade de seção transversal (tensões e deformações), que são então traduzidos em acumulação de danos ao longo do tempo, assim, a vida útil do pavimento flexível pode ser prevista, realizando a avaliação do desempenho do pavimento.
Os dados de entrada do programa referem-se basicamente ao tráfego, aspectos da carga, geometria da estrutura de cada camada e suas propriedades. Na Figura 20, pode-se ver janela do IMT-PAVE 3.0 onde se insere os dados relativos ao tráfego, classificação, fator de distribuição e horizonte de projeto.
Figura 20: Janela do IMT-PAVE referente ao tráfego
Fonte: Próprio Autor (2017)
Na Figura 21 tem-se o espectro de carga para o tráfego considerado, onde pode-se optar pela carga legal, ou com algum nível de sobrecarga: leve, alta e muito alta; ou avançado, que permite configurar os aspectos de carga de acordo com os quatro tipos de eixos considerados (simples, duplo, tandem duplo e triplo).
Figura 21: Janela do IMT-PAVE referente aos aspectos da carga
Na janela seguinte, conforme Figura 22, observa-se a janela referente a estrutura do pavimento, onde pode-se acrescentar ou remover camadas e materiais, bem como definir suas espessuras e módulo de resiliência, além de executar a análise da estrutura, gerando os resultados em anos de vida do pavimento, por fadiga e por deformação.
Figura 22: Janela do IMT-PAVE referente a estrutura do pavimento
Fonte: Próprio Autor (2017)
Já na janela seguinte do software, referente a análise probabilística, conforme Figura 23, pode-se ajustar o coeficiente de variação de cada camada, bem como o grau de confiabilidade e realizar a análise probabilística, além de poder gerar um relatório da análise, conforme Figura 24, na sequência.
Figura 23: Janela do IMT-PAVE referente a análise probabilística
Fonte: Próprio Autor (2017)
Figura 24: Relatório gerado pelo IMT-PAVE
2.6 ORÇAMENTO
De acordo com o volume 1 do Manual de Custos Rodoviários, Brasil (2003), a pesquisa de preços para o SICRO2 é executada a nível estadual, em estabelecimentos situados nas capitais dos estados. Onde a pesquisa de preços não é realizada diretamente, são considerados os preços selecionados de suas regiões geográficas.
Ainda, conforme Brasil (2003), nos estados onde se realizam pesquisas, são coletados informações de preço para cada material, em pelo menos três estabelecimentos. Onde são considerados como informantes os estabelecimentos comerciais credenciados, que comercializem regularmente os materiais pesquisados e que sejam expressivos no comércio local.
O SICRO2 trabalha o cálculo dos custos rodoviários mediante processo gradativo de composição de custos, Brasil (2003). Conforme Figura 25.
Figura 25: Esquema de Composição de Custos SICRO2
As composições de Serviços que direcionam o cálculo de seu custo unitário direto, que acrescido do percentual de Lucro e Despesas Indiretas (LDI) adotado para a obra, fornecerá seu preço por unidade produzida. Ainda, segundo Brasil (2003), estes preços unitários dos diferentes serviços rodoviárias são calculadas pelo Sistema Informatizado do SICRO2 periodicamente e com base nas coletas de preços de insumos Realizados nos diferentes Estados que fazem parte do Sistema. Decorridas todas as etapas precedentes, o preço total da obra será obtido através do simples somatório do valor de todos os serviços necessários para sua execução.
3 MÉTODO DE PESQUISA
Neste item serão abordados a metodologia de pesquisa utilizada, as estratégias aplicadas no seu desenvolvimento e o delineamento da mesma, desde a definição da via, coleta de material para ensaios de laboratório, bem como uma breve descrição dos mesmos, além da coleta de dados e referências para caracterização dos materiais utilizados nos dimensionamentos e orçamentos. 3.1 ESTRATÉGIA DE PESQUISA
Esta pesquisa pode ser considerada como quantitativa e aplicada, em razão de que teve como objetivo apresentar soluções econômicas para pavimentação asfáltica de uma via específica. Quanto aos métodos, se trata de uma pesquisa bibliográfica e experimental, pois além de buscar dados necessários em materiais já elaborados, foram dimensionados diferentes tipos de pavimentos, através dos três métodos propostos, além de compara-los financeiramente.
3.2 DELINEAMENTO
Este estudo, delineou-se da seguinte maneira, primeiramente fez-se a pesquisa bibliográfica, definição da via para o estudo, contagem de tráfego e coleta de material para caracterização do solo da via através de ensaios de laboratório. Após, determinou-se os materiais a serem utilizado, além do levantamento bibliográfico de suas propriedades pertinentes a este estudo. Por fim, realizou-se o dimensionamento e orçamento dos pavimentos, para a análise e considerações finais, conforme Figura 26 a seguir.
Figura 26: Delineamento da pesquisa
Fonte: Próprio Autor (2017)
3.3 DEFINIÇÃO DA VIA LOCAL
A escolha da Rua Inhacorá, Figura 27, deu-se devido a diversos fatores, entre eles o fato de possuir um volume de tráfego considerável comparadas a vias semelhantes da região, fazer ligação a comunidades do interior e a rodovia RS 155, além de possuir em sua extensão duas das principais empresas do município, na área de armazenagem e comércio de grãos.
A via possui 1.760 m de extensão, composta basicamente por solo argiloso de cor vermelha, com pedregulhos, em estado compactado devido ao tráfego continuo de veículos de carga, conforme Figura 28, na sequência.
Figura 27: Via definida para o estudo
Fonte: Adaptado de Google Maps (2017)
A seguir, na Figura 29, tem-se a indicação dos três pontos onde coletou-se amostras de solo para realização dos ensaios de laboratório, cuja descrição e resultados encontram-se no item 4.1.
Figura 29: Pontos onde coletou-se solo para os ensaios
Fonte: Adaptado de Google Maps (2017)
3.4 CONTAGEM DE TRÁFEGO E NÚMERO N
A contagem de tráfego na Rua Inhacorá, na cidade de Santo Augusto, foi elaborada através de contagem manual dos veículos, separados por tipos de eixos, nos dois sentidos de fluxo. Por meio do Volume Médio Diário (VMD), foi calculado o número N, utilizando fatores de equivalência do USACE (United States Army Corps of Engineers), empregando-se o software SisPav.
A contagem do tráfego realizada no local, resultou em um VMD de 554 veículos, considerando os dois sentidos de fluxo, sendo deste total, apenas 106 veículos considerados comerciais ou de carga. O número N (8,2 toneladas) calculado resultou no valor de 1,83 x 106, para uma vida de projeto de 10 anos, considerando uma taxa de crescimento de 3 % ao ano.
3.5 MATERIAIS
3.5.1 Solo Cimento
A utilização de cimento para a estabilização de solos é um método viável que permite obter consideráveis melhorias nas características do solo, quer do ponto de vista mecânico, quer da durabilidade (CRUZ, 2004).
Cruz (2004), destaca ainda que a utilização de cimento, em percentagens de 6 ou 10%, permitiu obter melhorias consideráveis em todas as características dos solos analisadas comparativamente com as do solo sem tratamento, quer em termos mecânicos e de durabilidade. Cabe salientar ainda, que o solo utilizado por Cruz (2004), foi fabricado em laboratório, através de mistura de 70% de areia e 30% de caulino, designado como Areia Argilosa (SC), pela norma ASTM, e como um solo A-2-6 (Ig=1), segundo a classificação rodoviária AASHTO.
Conforme Paiva e Oliveira (2013), apesar da mistura solo-cimento aumentar a capacidade estrutural do pavimento e reduzir as tensões transmitidas ao terreno de fundação, melhorando o desempenho do mesmo, dependendo do teor de cimento utilizado, resultara em um material demasiadamente duro e de elevada rigidez a flexão, propenso a quebrar sob as cargas de tráfego, propiciando ainda, o aparecimento de trincas por retração, além de outras falhas que causam a degradação acelerada da camada cimentada e a redução da vida útil do pavimento.
Ainda, segundo Cruz (2014), as principais variáveis que regem as propriedades e características das misturas solo-cimento, são a proporção de cimento utilizada, teor de umidade, grau de compactação e o tipo de solo ou material agregado.
Para este estudo, serão utilizados dados do trabalho de conclusão de Curso de Ciprandi (2016), uma vez que o solo utilizado em seu estudo é da região de Santa Rosa – RS, cidade próxima e pertencente a mesma região onde está localizado a via objeto deste estudo, com características de solo semelhantes entre ambas. Onde o mesmo foi classificado como pedregulho ou areia siltosa ou argilosa, pertencente ao grupo A-2-6, com massa específica aparente de 1.811 Kg/m³ e um I.S.C de 25,3%.
