ESTUDO DO EFEITO DA ADERÊNCIA ENTRE CAMADAS DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

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CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

ESTUDO DO EFEITO DA ADERÊNCIA ENTRE

CAMADAS DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO EM ENGENHARIA CIVIL

Renan Gustavo Scherer

Santa Maria, RS, Brasil

2015

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ESTUDO DO EFEITO DA ADERÊNCIA ENTRE CAMADAS

DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

Renan Gustavo Scherer

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia

Civil, Centro de Tecnologia da Universidade Federal de Santa Maria

(UFSM, RS), com requisito parcial para obtenção de grau de

Engenheiro Civil.

Orientador: Prof. Dr. Deividi da Silva Pereira.

Santa Maria, RS, Brasil

2015

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

CENTRO DE TECNOLOGÍA

DEPARTAMENTO DE TRANSPORTES

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova o Trabalho de

Conclusão de Curso

ESTUDO DO EFEITO DA ADERÊNCIA ENTRE CAMADAS DE

PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

elaborado por

Renan Gustavo Scherer

como requisito parcial para a obtenção do grau de

Engenheiro Civil

COMISSÃO EXAMINADORA

Deividi da Silva Pereira, Dr.

(Presidente/Orientador)

Fábio Pereira Rossato, Me.

Mauricio Silveira dos Santos, Me.

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AGRADECIMENTOS

Primeiramente, a Deus;

Aos meus pais, e toda minha família, por sempre terem estado do meu lado, possibilitando que eu chegasse até aqui;

Ao professor Deividi Pereira, por ter me orientado neste trabalho, sendo sempre muito atencioso e prestativo.

Ao mestrando Lucas Bueno, por todos auxílios prestados;

A todos os demais professores, pelos seus conhecimentos transmitidos; A todos amigos e colegas que me acompanharam nessa jornada;

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RESUMO

Trabalho de Conclusão de Curso

Curso de Engenharia Civil

Universidade Federal de Santa Maria

ESTUDO DO EFEITO DA ADERÊNCIA ENTRE CAMADAS DE

PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

Autor: Renan Gustavo Scherer

Orientador: Deividi da Silva Pereira

Data e Local da Defesa: Santa Maria, RS, 14 de dezembro de 2015.

O desempenho de um pavimento é influenciado pelos materiais empregados, pelo tráfego, pelo processo construtivo e muitos outros fatores. Este trabalho visa estudar a influência da aderência entre as camadas de pavimento. A presença ou a ausência de tal fenômeno leva a diferentes esforços e deformações, que podem alterar a durabilidade da estrutura. Para tal, foram realizadas simulações no software AEMC, para um pavimento com revestimento, base e sub-base, com oito diferentes condições de aderência. Foram comparados os desempenhos perante a deflexão máxima (Uz) do revestimento e valores de solicitações admissíveis para a fadiga do revestimento (Nfad), para a fadiga da base asfáltica, quando empregada (Nfad,BA), e para deformação permanente (Ndef), considerando e analisando perante as diversas condições de aderências simuladas. Na maioria das simulações, o maior Nfad foi obtido quando havia aderência plena entre todas as camadas e o menor quando nenhuma camada estava aderida. Para o Nfad,BA o melhor desempenho foi obtido com todas as camadas aderidas, nas estruturas menos robustas, e quando somente não havia aderência estre a base asfáltica e o revestimento, nas mais robustas. Para a deflexão máxima, o menor valor foi obtido para a condição em que havia aderência entre todas as camadas e o maior quando não havia nenhuma aderência entre as camadas. Por fim, para a deformação permanente os resultados obtidos foram mais dispersos, apesar disso, em todos os casos analisados, o maior valor de Ndef foi obtido com a condição de aderência onde só não havia aderência entre o subleito e a sub-base e a menor durabilidade, na maioria dos casos, ocorreu quando a única interface sem aderência era a revestimento-base.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 2-1 - Influência da Aderência Frente ao Momento Fletor ... 14

Figura 2-2 - Falha na Aderência Entre Camadas ... 15

Figura 2-3 - Esforços em camadas de pavimento ... 18

Figura 2-4 - Teoria de Boussiniesq ... 19

Figura 2-5 - Teoria de Burmister ... 20

Figura 2-6 - Tipos e Geometria de Eixos Rodoviários ... 23

Figura 2-7 - Fissuração por Fadiga ... 27

Figura 2-8 - ATR ... 29

Figura 2-9 - Tela do AEMC ... 31

Figura 2-10 - Primeira Aba do MnLayer ... 32

Figura 3-1 - Esquema da estrutura do pavimento ... 34

Figura 3-2 - Pontos de análise ... 37

Figura 3-3 - Dados da estrutura do pavimento no AEMC ... 38

Figura 3-4 - Entrada do carregamento no AEMC ... 38

Figura 3-5 - Pontos de análise e saída de resultados ... 39

Figura 3-6 - Escolha do Formato de Entrada de Dados de Carga no MnLayer... 39

Figura 3-7 - Especificação do Pavimento no MnLayer ... 40

Figura 3-8 - Entrada de Dados de Carregamento no MnLayer ... 40

Figura 3-9 - Pontos de análise no MnLayer... 41

Figura 3-10 - Resultados das Simulações no MnLayer ... 41

Figura 4-1 - Nfad do revestimento para a Estrutura 1 (AEMC) ... 44

Figura 4-7 - Nfad da Base Asfáltica para a Estrutura 4 (AEMC) ... 49

Figura 4-10 - Ndef para a Estrutura 1 (AEMC) ... 52

Figura 4-16 - Deflexão Máxima para a Estrutura 1 (AEMC) ... 56

Figura 4-22 - Nfad do Revestimento para a Estrutura 1 (MnLayer) ... 61

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Figura 4-28 - Nfad da Base Asfáltica para a Estrutura 4 (MnLayer) ... 64

Figura 4-31 - Ndef para a Estrutura 1 (MnLayer) ... 65

Figura 4-37 - Deflexão Máxima para a Estrutura 1 (MnLayer) ... 69

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LISTA DE TABELAS

Tabela 2-1 - Peso máximo legal ... 24

Tabela 2-2 - Valores típicos de coeficiente de Poisson ... 25

Tabela 2-3 - Valores de Referência de Módulo de Resilência de Alguns Materiais .. 26

Tabela 3-1 - Matriz fatorial do pavimento ... 34

Tabela 3-2 - Matriz fatorial de solicitações ... 34

Tabela 3-3 - Condições de Aderência nas Interfaces das Camadas do Pavimento .. 35

Tabela 3-4 - Matriz Fatorial de Estruturas de Pavimento para o MnLayer ... 36

Tabela 3-5 - Exemplo de pontos de análise (AEMC) ... 37

Tabela 4-1 - Estrutura 1 - Carga de 100 kN e pressão de 0,55 MPa ... 72

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LISTA DE ABREVIATURAS

ATR: Afundamento em trilha de roda BA: Base asfáltica

BC: Brita corrida

BGS: Brita graduada simples

BGTC: Brita graduada tratada com cimento CA: Concreto asfáltico

CCP: Concreto de cimento Portland CCR: Concreto compactado com rolo ESRD: Eixo simples de rodas duplas fcl: fator campo-laboratório

MH: Macadame hidráulico MS: Macadame seco MR: Módulo de resiliência

Ndef: Valores de solicitações admissíveis para a deformação permanente Nf: Vida de fratura

Nfad: Valores de solicitações admissíveis para a deformação permanente Ns: Vida de serviço

SC: Solo-cimento SCA: Solo-cal

SMC: Solo melhorado com cimento

TSCE - Teoria de Sistema de Camadas Elásticas Uz: Deflexão máxima

εh: Deformação horizontal εt: Deformação por tração εv: Deformação vertical υ: Coeficiente de Poisson σ: Tensão

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 10

1.1 Objetivos ... 11 1.1.1 Objetivo Geral... 11 1.1.2 Objetivos Específicos ... 11

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 12

2.1 Aderência ... 12 2.1.1 O Fenômeno da Aderência... 12

2.1.2 A Aderência na Pavimentação e nos Outros Ramos da Engenharia Civil 13 2.1.3 Estudos Sobre a Aderência na Pavimentação ... 16

2.2 Mecânica de Pavimentos ... 17

2.2.1 Interação Carga-Pavimento ... 18

2.2.2 A Aplicação da Teoria da Elasticidade em Pavimentos ... 19

2.2.3 Dimensionamento Mecanístico-Empírico de Pavimentos ... 21

2.2.3.1 Carregamento Sobre Pavimentos ... 22

2.2.3.2 Propriedades Elásticas dos Materiais de Pavimentação ... 24

2.2.3.2.1 O Coeficiente de Poisson ... 24

2.2.3.2.2 Módulo de Resiliência ... 25

2.2.4 Ruptura de Pavimentos ... 27

2.2.4.1 Trincamento por Fadiga ... 27

2.2.4.2 Deformação permanente ... 28 2.2.5 Software SisPav/AEMC ... 30 2.2.6 Software MnLayer ... 31

3 METODOLOGIA ... 33

3.1 Matriz fatorial ... 33 3.2 Pontos de análise ... 36

3.3 Entrada de dados no software AEMC ... 38

3.4 Entrada de dados no software MnLayer ... 39

3.5 Seleção de resultados ... 42

3.6 Determinação dos Valores de Solicitações Admissíveis ... 42

4 ANÁLISE DOS RESULTADOS... 43

4.1 Estimativas de Resistência do Revestimento à Fadiga no AEMC ... 44

4.2 Estimativas de Resistência à Fadiga da Base Asfáltica pelo AEMC .. 48

4.3 Estimativas de Resistência à Deformação Permanente do Pavimento pelo AEMC... 51

4.4 Estimativas de Deflexão Máxima no Topo do Revestimento no AEMC ... 56

4.5 Estimativas no MnLayer... 60

4.6 Síntese de resultados ... 72

5 CONCLUSÕES ... 78

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1 INTRODUÇÃO

As rodovias tem importante papel no desenvolvimento socioeconômico. Por meio delas a maior parte dos produtos é transportada e pessoas se deslocam de um lugar para outro. Em vista disso, é necessário que elas cumpram seu papel de maneira eficiente, devendo ser dimensionadas de maneira adequada a fim de não) sofrerem uma deterioração precoce.

Os estudos de Boussinesq (1885) e, posteriormente, de Burmister (1943), levaram ao desenvolvimento de equações para o cálculo de tensões e deformações devido ao carregamento em um meio, estratificado ou não. Isso permitiu o desenvolvimento de métodos mecanicistas para o dimensionamento e verificação do desempenho de pavimentos. Um dimensionamento considerando esses métodos, principalmente a análise quanto problemas de fadiga e de deformação permanente, pode evitar danos prematuros no revestimento e a consequente necessidade de manutenção.

Os pavimentos usuais são compostos pela sobreposição de diversas camadas sobre o subleito. De acordo com Balbo (2007), a estrutura do pavimento é concebida, em seu sentido estrutural, para receber e transmitir esforços de maneira a aliviar pressões sobre as camadas inferiores.

A aderência entre essas camadas é muito influente nesse processo. Caso não haja aderência, elas trabalham com linhas neutras independentes. Caso haja, as camadas trabalharão de forma monolítica (ABEDA, 2001). Isso leva a diferentes esforços e deformações, que podem alterar a durabilidade da estrutura.

Diante disso, é importante a análise do comportamento do pavimento perante a variação da condição de aderência entre suas camadas constituintes. Pode-se considerar presença ou ausência de aderência em cada uma das interfaces da pavimento, o que, em um pavimento típico, com revestimento, base e sub-base, gera oito condições de aderência possíveis. A influência dessas condições no desempenho do pavimento, frente aos mecanismos de ruptura por fadiga e deformação permanente são o objeto de estudo desse trabalho.

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1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivo Geral

O presente trabalho tem por objetivo analisar o efeito da consideração e da desconsideração da aderência entre as camadas do pavimento, frente à deflexão máxima no topo do revestimento e o número de solicitações admissíveis “N” antes da ruptura do pavimento por fadiga ou afundamento plástico.

1.1.2 Objetivos Específicos

a) Simular, através do software AEMC, os efeitos oriundos de diferentes carregamentos em um eixo simples de rodas duplas em estruturas de pavimentos com diferentes constituintes e condições de aderência entre suas camadas;

b) Comparar os resultados obtidos pelo AEMC com o software MnLayer, para algumas estruturas, como verificação;

c) Analisar os resultados de deflexão obtidos;

d) Comparar o Nfad e o Ndef, obtidos através de modelos de desempenho, para diferentes considerações de aderência entre camadas.

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Aderência

2.1.1 O Fenômeno da Aderência

O fenômeno da aderência é o que faz com que dois materiais de resistência diferentes tenham a mesma deformação e trabalhem juntos (CARVALHO e FIGUEIREDO, 2013). Na engenharia civil é bastante conhecido principalmente no que ser refere a estruturas de concreto armado, pois é responsável pela solidariedade entre as barras de aço e o concreto, apesar de ocorrer em diversas outras situações. Tradicionalmente a aderência é decomposta, para fins de estudo, principalmente do concreto armado, em três parcelas (FUSCO 1995; ARAÚJO, 2010; LEONHARDT, 1977 apud CARVALHO e FIGUEIREDO, 2013):

a) Aderência por adesão; b) Aderência por atrito; c) Aderência mecânica.

A primeira decorre em função de ligações físico-químicas que ocorrem na interface dos materiais. A segunda ocorre quando há tendência de deslocamento relativo entre os materiais e depende dos coeficientes de atrito dos mesmos, que é função da rugosidade destes. Por fim, a aderência mecânica é uma resistência ao arrancamento que ocorre devido à conformação superficial dos materiais.

Carvalho e Figueiredo (2013) ressalvam que apesar dessa decomposição, é difícil a avalição precisa desses efeitos separadamente, seja analiticamente ou experimentalmente.

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2.1.2 A Aderência na Pavimentação e nos Outros Ramos da Engenharia Civil

Carvalho e Figueiredo (2013) explicam que, para o concreto armado, a aderência por adesão ocorre entre a superfície da barra de aço e a pasta do concreto, a aderência por atrito é função da rugosidade da barra de aço e decorre da existência de uma pressão transversal exercida pelo concreto em virtude de sua retração e a aderência mecânica provém das saliências das barras, que funcionam como peças de apoio, aplicando compressão no concreto e, consequentemente, aumentando a aderência.

Pereira (2003) estabeleceu analogias para o estudo da aderência entre o concreto armado e camadas de pavimento de concreto de cimento Portland (CCP) sobre concreto compactado com rolo (CCR). Conforme o autor, a aderência por adesão entre as camadas ocorre devido às forças de Van der Waals e reações químicas entre as diferentes fases da pasta de cimento Portland e o subleito.

A aderência por atrito é dependente da rugosidade do CCR, pois este é o material preexistente, e esta é influenciada pelo peso próprio do CCP e a ação do tráfego. Ressalva, contudo, que a retração do CCP, neste caso, tem efeito danoso, por romper as ligações físico-químicas dos materiais.

Por fim, a resistência mecânica pode ser comparada à gerada por irregularidades na superfície do CCR, que são maiores para casos com uso de agregados graúdos de maior dimensão. Para esse tipo de aderência, no caso de execução de reforço de CCP sobre um pavimento asfáltico, ela é propiciada por sulcos devido à fresagem.

A aderência também está presente na interação entre a argamassa de assentamento ou de revestimento e a base sobre a qual esta será assente. Ela se dá pela ancoragem da pasta aglomerante nos poros do substrato e pela ancoragem mecânica da argamassa nas reentrâncias e saliência do mesmo (ABCP, s.d.), sendo muito influente nesse processo a rugosidade e a porosidade do material de base. Em um pavimento, situação similar ocorre na interface entre a última camada granular e a primeira camada asfáltica, que recebe uma imprimação de asfalto diluído, que penetra nas reentrâncias da camada granular como a pasta da argamassa. Posteriormente, sobre este, é aplicada uma camada de emulsão

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asfáltica (pintura de ligação) para propiciar uma aderência por adesão da imprimação com o revestimento asfáltico.

Outra comparação pode ser feita com as vigas de madeira laminada colada. Pfeil e Pfeil (2003), explicam que, para a madeira laminada colada, quanto às solicitações normais de cisalhantes, os esforços e as deformações seriam como para elementos não estratificados, pois se considera que a cola resista aos esforços. Tal ideia aplica-se também aos pavimentos, desde que efetivamente ocorra a aderência plena entre as camadas no processo executivo. Caso ela não ocorra, as camadas irão trabalhar de maneira independente. Também é importante verificar se o mecanismo de aderência é resistente e não seja o responsável pela ruptura do conjunto.

Para a flexão, a Figura 2-1 ilustra os efeitos a existência ou ausência de aderência entre os elementos de madeira laminada colada, que pode ser estendido às camadas de um pavimento:

Figura 2-1 - Influência da Aderência Frente ao Momento Fletor

Fonte: PFEIL e PFEIL (2003)

Pfeil e Pfeil (2003) também explicam que quando as peças estão simplesmente justapostas, ocorre o deslizamento entre elas e a seção de cada uma

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sofre flexão em torno do seu próprio centro de gravidade, se comportando como vigas independentes. Já quando as peças estão coladas, a flexão se dá em torno do centro de gravidade do conjunto. Nesse caso, o comportamento seria igual ao de uma viga maciça, com geometria igual à do conjunto e módulo de elasticidade equivalente, pois a deformação das fibras em cada elemento na interface aderida deve ser igual.

Tal comportamento pode ser estendido às camadas de um pavimento. Com aderência nas interfaces, as diversas camadas trabalhariam como sendo uma só, já sem a aderência, trabalhariam de forma independente (ABEDA, 2001). É importante observar que para o caso de existência de aderência entre as camadas, os esforços horizontais na interface são menores que no caso de não haver aderência, visto que, no primeiro caso, a interface coincide ou está mais próxima da linha neutra, que possui tensões e deformações nulas, já na ausência, a interface coincide com a borda do elemento, local onde as tensões devidas à flexão são máximas.

O rebaixamento da linha neutra depende das propriedades elásticas e das espessuras das camadas aderidas. Quanto maior for a rigidez e/ou a espessura da camada inferior, maior será esse rebaixamento e menor serão as tensões de flexão na camada superior. Apesar disso, o rebaixamento da linha neutra leva ao aumento dos esforços no topo e no fundo da estrutura conjunta (PEREIRA, 2003).

Sutano (2009) classifica a falha na aderência entre camadas asfálticas em três grupos. O primeiro seria a perda da aderência por cisalhamento na interface, o segundo por tração na interface e o terceiro modo pela combinação dos dois anteriores. Esses casos estão demonstrados na Figura 2-2.

Figura 2-2 - Falha na Aderência Entre Camadas

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Segundo o mesmo autor, o primeiro caso decorre tipicamente devido ao tráfego, originado pela aceleração, desaceleração, paradas e conversões realizadas pelos veículos, e/ou variação da temperatura. Por outro lado, afirma que não são conhecidos casos reais de ocorrência do segundo e terceiro caso.

Em linhas gerais, a partir das analogias e estudos apresentados, pode-se dizer que a aderência entre o revestimento e a base ocorre principalmente por adesão, devido à imprimação e à pintura de ligação, com alguma parcela de aderência por atrito e aderência mecânica, visto que a superfície da base possui irregularidades. Entre a base granular e a sub-base, a aderência se dá por meio do atrito e da aderência mecânica entre os materiais granulares. Já entre a sub-base e o subleito, também é devido à aderência mecânica e atrito, facilitado pelo bloqueio, empregado antes da execução da sub-base.

2.1.3 Estudos Sobre a Aderência na Pavimentação

A maioria dos estudos relacionados ao tema se dedica principalmente à aderência entre misturas asfálticas e concreto de cimento Portland (CCP) ou matérias tratados com cimento Portland, como os de Fortes (1999) e Pereira (2003). Também entre camadas diferentes de misturas asfálticas, como nos estudos de Guimarães (2013) e Silva et al (2015), sendo que estes últimos também avaliaram para outras camadas constituintes do pavimento.

Fortes (1999) estudou a aderência entre uma camada de concreto de cimento Portland (CCP) sobre uma de concreto asfáltico (CA), empregado em reforços de pavimentos. Foi avaliada a resistência ao cisalhamento nas interfaces, para os casos de superfície do CA sem tratamento, com fresagem manual, com fresagem rodoviária e com uso de resina epóxi. A autora observou que o tratamento da superfície do CA tem influência na resistência ao cisalhamento sendo que as maiores resistências foram obtidas quando do emprego conjunto de fresagem rodoviária e resina epóxi e as menores nos casos em que não houve tratamento da superfície. Constatou-se ainda que para a carga repetida ocorre perda de aderência entre as camadas e que essa perda ocorre em menor número de ciclos quanto maior o nível de solicitação empregado.

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Pereira (2003) estudou a resistência ao cisalhamento entre placas de CCP e concreto compactado com rolo (CCR) para os casos com aplicação de emulsão asfáltica na interface e casos sem esse tratamento, com lançamento do CCP depois de variados intervalos de tempo após a compactação do CCR. O autor constatou que a aplicação de emulsão leva a resultados de resistência ao cisalhamento muito inferiores aos obtidos sem tal prática. Tal fato foi atribuído ao efeito da fluência do material betuminoso quando de sua aplicação e ao fato das camadas se comportarem de maneira monolítica na ausência deste.

Os estudos de Guimarães (2013), por sua vez, avaliaram a resistência ao cisalhamento entre camadas de misturas asfálticas considerando o uso de diferentes emulsões asfálticas para propiciar aderência entre as camadas. Variou-se a taxa de aplicação da pintura de ligação, tipo de emulsão e a existência ou não de geotêxtil ou grelha para bloqueio da reflexão de fissuras na interface. A autora constatou que não houve diferença significativa no uso da grelha em relação às interfaces com pintura somente, porém que o uso de geotêxtil provocou a redução considerável da resistência ao cisalhamento. Também que há uma taxa ótima de pintura de ligação, influenciada pelo tipo de emulsão, para que haja uma aderência ótima entre as camadas.

Silva et al. (2015) analisaram a influência da aderência entre camadas do pavimento, para diversas condições de aderência, em termos de vida-útil. Os autores constataram que a consideração da aderência tem forte influência no desempenho estrutural do pavimento e que para o caso de deslizamento entre camadas, há significativo aumento da deflexão e do afundamento do subleito, levando a uma redução da vida-útil do pavimento.

2.2 Mecânica de Pavimentos

Um pavimento é uma estrutura de múltiplas camadas de espessura finita assentes sobre o subleito. Possui a função de receber e resistir às cargas oriundas do tráfego e as ações climáticas e proporcionar uma boa condição de rodagem (BERNUCCI et al, 2008). Para tal, a estrutura não pode sofrer deformações incompatíveis com a capacidade portante dos seus materiais constituintes.

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Tradicionalmente, no Brasil, os pavimentos são dimensionados através de métodos empíricos ou semi-empíricos. Tais métodos foram desenvolvidos de maneira simplificada, visando impedir alguma forma de ruptura do pavimento, a partir de experiências em campo. Por serem métodos mais simples, não permitem a avaliação de diversas situações que podem ocorrer e levar a falha do pavimento de maneira precoce, além de serem restritos aos locais com condições análogas as da área em que houve a experimentação observacional (BALBO, 2007). Com o avanço da informática e visando preencher essa lacuna, surgiu a mecânica de pavimentos.

2.2.1 Interação Carga-Pavimento

As cargas dos veículos são transmitidas ao pavimento através da área de contato deste com os pneus. Então as cargas são transmitidas à fundação de forma aliviada a cada camada, impedindo que ocorram deformações incompatíveis com a estrutura ou com a fundação (BALBO, 2007).

Ainda conforme Balbo (2007), a aplicação do carregamento gera um estado de tensões na estrutura. Tal estado depende do comportamento mecânico de cada camada e do conjunto destas. As cargas aplicadas agem de modo transitório, sendo cíclicas. Os esforços verticais geram solicitações de compressão e de cisalhamento, já os horizontais podem gerar tração ou atuar confinando os materiais. A carga vertical gera também flexão das camadas. Esses esforços são estudados através da teoria da elasticidade e estão demonstrados na Figura 2-3.

Figura 2-3 - Esforços em camadas de pavimento

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2.2.2 A Aplicação da Teoria da Elasticidade em Pavimentos

Conforme Franco (2007), a aplicação da teoria da elasticidade na pavimentação foi possível devido ao trabalho de Boussinesq (1885) e de Burmister (1943). Em seguida, e com o advento da informática, seus estudos foram ampliados e serviram de base para o campo de estudos que veio a ser chamado de mecânica de pavimentos.

Boussinesq formulou uma série de equações para o cálculo de tensões e deformações em um meio semi-infinito submetido a uma carga concentrada ou uniformemente distribuída (Figura 2-4). Essas equações tratam de uma particularização da Teoria da Elasticidade ainda são de grande aplicação em diversos estudos relacionados à Engenharia Geotécnica. No estudo do equilíbrio dos semiespaços elásticos com carregamento estático, são desprezadas as forças internas e as de superfície são decompostas em componentes de tensão paralelas a eixos coordenados pré-estabelecidos. Assumem-se ainda as hipóteses (BALBO, 2007):

a) Material homogêneo; b) Material isotrópico;

c) As tensões ficam caracterizadas pelo módulo de deformação e o coeficiente de Poisson do material, que obedece à Lei de Hooke generalizada.

Figura 2-4 - Teoria de Boussiniesq

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Nessas soluções, as tensões e os deslocamentos em qualquer ponto são derivados de uma função que Boussinesq chamou de potencial logarítmico de três variáveis (MEDINA e MOTTA, 2005). Conforme Balbo (2007) essas formulações foram úteis no desenvolvimento dos critérios de carga de roda simples equivalente e para a superposição dos efeitos de deslocamentos de várias cargas circulares.

Observa-se, porém, que muitas vezes são discrepantes as deflexões medidas em campo em relação aos valores calculados com as expressões de Boussinesq, principalmente quando há revestimento asfáltico de elevada espessura ou uma camada rígida na composição do pavimento (MEDINA e MOTTA, 2005). Ampliando o trabalho de Boussinesq, Burmister, engenheiro norte-americano especialista em geotécnica, apresentou uma série de três artigos que estabeleceram as bases para o que veio a ser chamado de Teoria de Sistema de Camadas Elásticas (TSCE).

Burmister estava preocupado com os programas de construção de aeroportos desencadeados pela Segunda Guerra Mundial e com aterros com camadas de materiais com propriedades diferentes entre si. Para tal, analisou os fatores que governam a magnitude e a distribuição de tensões e deslocamentos em sistemas elásticos de duas e, posteriormente, três camadas (BALBO, 2007) (Figura 2-5).

Figura 2-5 - Teoria de Burmister

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A formulação do problema foi realizada a partir do equacionamento geral da teoria da elasticidade. Também foi considerado como hipóteses, mesmo que não plenamente satisfeitas, que:

a) As camadas são homogêneas, elásticas e isotrópicas, sendo válida a Lei de Hooke em seus materiais;

b) A primeira camada tem espessura finita e é infinita nas demais direções. O subleito é infinito em todas as direções;

c) A superfície da primeira camada é livre de tensões normais fora do limite de aplicação da carga e nela não ocorrem tensões de cisalhamento na superfície.

Nos artigos de Burmister, a influência da aderência entre camadas já é considerada. No primeiro artigo, o problema de duas camadas é tratado considerando aderência plena, já no segundo, considera ausência de aderência entre elas. No terceiro, o problema é ampliado para o caso de três camadas (MEDINA e MOTTA, 2005).

2.2.3 Dimensionamento Mecanístico-Empírico de Pavimentos

A partir do trabalho de Boussinesq (1885) e Burmister (1943) e com o advento da informática, hoje é possível a aplicação da teoria da elasticidade em estruturas de várias camadas. Ainda que os materiais de pavimentação não possuem comportamento elástico-linear, tal condição é muitas vezes empregada como simplificação (BERNUCCI et al., 2006), para tal, as considerações para sua aplicação em sistemas contínuos de multicamadas com carga distribuída uniformemente em área circular são, conforme Medina e Motta (2005):

a) Os materiais são elásticos lineares, homogêneos e isotrópicos;

b) É válida a lei de Hooke e o módulo de compressão e o de tração são equivalentes;

c) As camadas não têm peso;

d) As camadas são infinitas na direção horizontal;

e) A camada inferior é considerada semi-infinita. Todas as demais possuem uma espessura finita;

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f) Não ocorrem tensões fora da área carregada na superfície da camada superior;

g) Na área carregada ocorrem apenas tensões normais;

h) Em grandes profundidades as tensões e deformações são nulas;

i) As camadas podem ser consideradas aderidas entre si ou não aderidas entre si.

A partir disso, o processo de dimensionamento mecanístico-empírico pode, ainda conforme Medina e Motta (2005), ser realizado considerando os seguintes passos:

a) De determinação do número de projeto “N”, a partir do tráfego previsto; b) Escolha e caracterização dos materiais;

c) Dosagem da mistura asfáltica; d) Estabelecimento da estrutura inicial;

e) Cálculo das tensões e deformações atuantes e comparação com os critérios de ruptura.

Caso a estrutura satisfaça os critérios, ela estará dimensionada, caso contrário, deverão ser alteradas as espessuras e repetir o procedimento.

2.2.3.1 Carregamento Sobre Pavimentos

Para o primeiro item do processo de dimensionamento, deve ser estudado o tráfego existente e esperado para a rodovia analisada, considerando a quantidade e o tipo de veículos que farão seu uso. Isso é realizado através de contagens de tráfego em campo e previsão de crescimento de frota. Também deve-se conhecer os eixos rodoviários que trafegarão na rodovia. A Figura 2-6 ilustra os principais tipos empregados no Brasil e sua geometria.

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Figura 2-6 - Tipos e Geometria de Eixos Rodoviários

Fonte: BALBO, 2007

Além do número de ciclos de projeto e a geometria do eixo, também devem ser consideradas as cargas destes e a pressão de inflação dos pneus. Tais informações são necessárias para o processo de dimensionamento, visto que essas informações fornecem o carregamento ao qual o pavimento estará submetido. Conforme a Resolução 2010/2006 do CONTRAN, as cargas máximas permitidas para os eixos usuais são:

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Tabela 2-1 - Peso máximo legal

Tipo de eixo Peso máxima legal (kg)

Eixo Simples de Roda Simples (ESRS) 6.000

Eixo Simples de Rodas Duplas (ESRD) 10.000

Eixo Tandem Duplo (ETD) 17.000

Eixo Tandem Triplo (ETT) 25.500

Fonte: CONTRAN, 2006

Essa carga pode ser ultrapassada em 10%, conforme a resolução 489/2014 do CONTRAN, desde que o Peso Bruto Total (PBT) por unidade ou combinação de veículos, estabelecido em 45 t, não seja ultrapassado em mais que 5%, ou 7,5%, caso a margem do PBT ultrapasse 5%. Na pratica, muitas vezes esse limite não é respeitado, fato este apoiado pela falta de postos de pesagem nas rodovias brasileiras (FONTENELI et al., 2011).

2.2.3.2 Propriedades Elásticas dos Materiais de Pavimentação

Na caracterização dos materiais é importante conhece o Módulo de Resiliência (MR) e o Coeficiente de Poisson (𝜐) de cada camada, considerando a influência da variação da umidade.

2.2.3.2.1 O Coeficiente de Poisson

O Coeficiente de Poisson é dado pelo inverso da relação entre a deformação vertical imposta a um material e a deformação horizontal sofrida por este, expresso na equação ( 2-1 ).

(26)

𝜐 = −𝜀ℎ

𝜀_𝑣 ( 2-1 )

Conforme Balbo (2007), atualmente não é comum à realização de ensaios para a determinação deste coeficiente. Em vista disso, o autor apresenta valores típicos do coeficiente para alguns materiais, conforme apresentado na Tabela 2-2. Vale ressaltar ainda que o coeficiente não é constante, apresentando dependência de diversos fatores.

Tabela 2-2 - Valores típicos de coeficiente de Poisson

Material Faixa de Variação

Concretos asfálticos 0,32 - 0,38

Concreto de cimento Portland 0,15 - 0,20

Brita Graduada Simples (BGS), Macadame Hidráulico (MH),

Brita Corrida (BC) 0,35 - 0,40

CCR, Brita Graduada Tratada com Cimento (BGTC) 0,15 - 0,20 Solo Cimento (SC), Solo Melhorado com Cimento (SMC) 0,20 - 0,30

Solo-Cal (SCA) 0,25 - 0,30 Solos arenosos 0,30 - 0,35 Areias compactas 0,35 - 0,40 Solos finos 0,40 - 0,45 Fonte: BALBO, 2007 2.2.3.2.2 Módulo de Resiliência

O estudo sobre o comportamento resiliente dos materiais de pavimentação iniciou na década de 1930 com Francis Hveem. A resiliência é definida como a energia armazenada em um corpo deformado elasticamente que é devolvida quando cessam as tensões causadoras das deformações (BERNUCCI et. al., 2006).

O Módulo de Resiliência (MR) é determinado pela relação entre a tensão aplicada (𝜎) e a respectiva deformação sofrida (𝜀), conforme a Equação ( 2-2 ) (BALBO, 2007).

(27)

𝑀_𝑅 =𝜎

𝜀 ( 2-2 )

Balbo (2007) enfatiza que o MR não é obrigatoriamente constante. Os materiais mais comumente apresentam comportamento elástico não linear. O autor ainda ressalta que em materiais de comportamento visco-elástico, como as misturas asfálticas, a deformação depende do tempo de aplicação de carga, sendo menor quando esta se dá de maneira mais rápida, levando a uma menor deformação e consequente maior módulo de resiliência.

A determinação do módulo de resiliência deve ser feita caso a caso para cada material empregado no pavimento. Diversas bibliografias apresentam valores de MR obtidos para variados materiais. Como referência, podem-se citar, para alguns materiais, os apresentados em Bernucci et. al. (2006), Balbo (2007) e Ribas (2014), obtidos por séries de ensaios laboratoriais e/ou retroanálise em pavimentos, resumidamente compilados na Tabela 2-3 abaixo:

Tabela 2-3 - Valores de Referência de Módulo de Resilência de Alguns Materiais

Material Faixa de MR (MPa) Fonte

Brita Graduada Simples 100 - 400 Bernucci et. al. (2008) Misturas Asfálticas 2.000 - 8.000 Bernucci et. al. (2008)

Base Asfáltica (BA) 800 - 1.000 Balbo (2007)

Base Granular 100 - 500 Balbo (2007)

Concreto Asfáltico 3.000 - 5.000 Balbo (2007)

Macadame Betuminoso 1.000 - 1.400 Balbo (2007)

Macadame Seco (MS) 100 - 200 Balbo (2007)

Solos 32 - 500 Balbo (2007)

Brita Graduada 30 - 500 Ribas (2014)

Concreto Asfáltico 800 - 11.000 Ribas (2014)

(28)

2.2.4 Ruptura de Pavimentos

Conforme Medina e Motta (2005), nas análises mecanicistas, são utilizadas ferramentas da análise estrutural no cálculo de tensões e deformações e determinados os mecanismos de fadiga e de deformabilidade. A avaliação desses mecanismos é realizada por meio de modelos de desempenho, que são equações matemáticas que simulam algum dano que uma estrutura de pavimento pode vir a sofrer com o passar do tempo.

2.2.4.1 Trincamento por Fadiga

Conforme Balbo (2007), a fadiga é o fenômeno ou processo de danificação, degradação ou deterioração das características mecânicas de um material que acaba por ocasionar sua falha como componente estrutural. Esse processo se dá em condições de carregamento cíclico, quando as deformações impostas são inferiores à capacidade de deformação do material. Leva à formação de fissuras que ao ultrapassarem um chamado comprimento crítico culminam na fratura do material.

(29)

A resistência à fadiga é a habilidade intrínseca de um material resistir ao carregamento cíclico antes de sua ruptura (Balbo, 2007). Conforme Bernucci et al. (2008), a vida de fadiga de uma mistura asfáltica é definida em termos de vida de fratura (Nf) ou vida de serviço (Ns). A primeira se refere ao número de aplicações de carga necessário para a fratura completa da amostra. Já a segunda (Ns) corresponde ao número de aplicações dessa mesma carga para que o desempenho ou a rigidez sejam reduzidos a um nível preestabelecido.

O comportamento do pavimento perante a fadiga pode ser avaliado, na forma de Nf, através de modelos de desempenho baseados na deformação inicial de tração e no módulo de resiliência da estrutura. Para misturas asfálticas, um destes modelos é o de Franco (2007), realizado de modo a corresponder às características brasileiras de materiais e construção e apresentado na Equação ( 2-3 ):

𝑁_𝑓𝑎𝑑 = 𝑓𝑐𝑙 ∙ 1,904 ∙ 10−6_{∙ (}1 𝜀_𝑡) 2,821 ∙ ( 1 𝑀_𝑅) 0,74 ( 2-3 ) Onde:

 Nfad é o número máximo de solicitações admissíveis antes de se atingir a ruptura por

fadiga;

 𝜀𝑡 é a deformação específica de tração da camada asfáltica;

 MR é o módulo de resiliência da camada asfáltica em MPa;

 fcl é o fator campo-laboratório = 10.000;

2.2.4.2 Deformação permanente

Segundo DNIT (2003), a deformação permanente é caracterizada pela depressão da superfície do pavimento, acompanhada ou não de solevamento. Ocorre principalmente em locais onde há baixa resistência das camadas inferiores ou tráfego canalizado de veículos comerciais (BALBO, 2007). A deformabilidade comumente considerada é o afundamento em trilha de roda (ATR).

Ainda conforme a supracitada norma do DNIT, ela pode se apresentar sob a forma de afundamento plástico, causado pela fluência de uma ou mais camadas do pavimento ou do subleito, ou afundamento de consolidação, devido à consolidação

(30)

diferencial de uma ou mais camadas do pavimento. No primeiro caso ocorre o solevamento, já no segundo, tal fenômeno não se manifesta.

Figura 2-8 - ATR

Balbo (2007) explica que essa deformação permanente ocorre devido à natureza viscoplástica dos materiais de pavimentação. Solos e materiais granulares apresentarão uma deformação elástica e uma deformação residual (plástica) a cada aplicação de carga. No caso das misturas asfálticas, o tempo de aplicação de carga também influencia na deformação, pois uma parcela desta só passa a ser mobilizada a partir de um tempo de atuação da carga.

Franco (2008) ressalta que, para a avaliação desse defeito, é considerado que a deformação permanente das camadas do pavimento é irrelevante em relação à deformação do subleito. Diante disso, foram desenvolvidos modelos que relacionam um número N de repetição de carga para que ocorra a deformação com um valor limite da deformação vertical no topo do subleito. Um desses modelos é o do Asphalt Institute, apresentado na Equação ( 2-4 ) (MONISMITH e BROWN, 1999 apud FRANCO, 2007):

(31)

𝑁_𝑑𝑒𝑓 = 1,365 ∙ 10−9_{∙ 𝜀}

𝑣−4,477 ( 2-4 )

Onde:

 𝜀_𝑣 é a deformação vertical no topo do subleito.

2.2.5 Software SisPav/AEMC

No dimensionamento e avaliação empírico-mecanicista de pavimentos, podem ser empregados diversos softwares. Tais programas levam em consideração diferentes elementos, mais adequados a pavimentos dos locais onde foram desenvolvidos. Franco (2007) comparou diversos desses programas e desenvolveu um próprio, mais voltado a realidade brasileira.

Em seu doutorado na COPPE/UFRJ, Franco (2007) buscou desenvolver um programa computacional que utilizasse características brasileiras de ensaios de laboratório, clima, materiais de pavimentação e tráfego. A partir disso surgiu o software “SisPav”. Conforme seu desenvolvedor, o SisPav apresenta dois módulos, um de análise por método dos elementos finitos (EFin3D) e outro por análise linear de múltiplas camadas (AEMC). Enquanto o primeiro divide o material em elementos fictícios de dimensões finitas, o segundo utiliza a teoria elástica de múltiplas camadas de Burmister.

O programa AEMC possui três seções. Na parte superior são inseridos os valores relativos às espessuras das camadas e as características dos materiais. Na parte inferior esquerda é possível selecionar a geometria do eixo que será simulado e informar seu carregamento e pressão de inflação dos pneus. Na terceira seção, são estabelecidos os pontos que serão analisados e apresentados os resultados dos cálculos das simulações (Figura 2-9). Conforme Franco (2007), o programa realiza os cálculos com base no programa JULEA, modificado para o formato de entrada de dados do AEMC.

(32)

Figura 2-9 - Tela do AEMC

2.2.6 Software MnLayer

O MnLayer também é um software baseado na análise linear de múltiplas camadas para a análise de pavimentos. Foi desenvolvido na University of Minnesota por Khazanovich e Wang (2007). Já a interface gráfica foi desenvolvida na USP por Matoso, Balbo e Khazanovich.

Esse programa também tem sua base de cálculo no JULEA, mas com outro esquema de integração (KHAZANOVICH e WANG, 2007). Divide-se em cinco abas. Na primeira (Figura 2-10) é configurado como será a entrada de dados do carregamento (carga, pressão de inflação e/ou raio da área de contato). Na segunda, são informadas as características da estrutura do pavimento. Na terceira são informados os valores do carregamento. Na quarta são informados os pontos para a análise, cujos resultados são informados na última aba.

(33)

(34)

3 METODOLOGIA

O comportamento do pavimento perante as condições de aderência ou não aderência entre camadas foi determinado através da análise de resultados de simulação computacional, obtidas pelo software AEMC. Inicialmente foram estabelecidas as configurações que seriam analisadas, em seguida o tráfego foi simulado e ao final os resultados de interesse obtidos foram aplicados em modelos de desempenho, analisados e comparados. Também foram selecionadas algumas combinações para simulação através do software MnLayer.

3.1 Matriz fatorial

Para a realização do estudo, estabeleceu-se uma estrutura de pavimento composta por quatro camadas de diferentes materiais. Também se considerou diferentes carregamentos de eixo e pressões de inflação dos pneus.

Para a primeira camada, o revestimento, foi estabelecido como material o concreto asfáltico (CA), com dois módulos de resiliência (MR). Para a segunda camada, a base, os materiais simulados foram a brita graduada simples (BGS), com dois diferentes módulos de resiliência, e uma base asfáltica (BA). A camada abaixo, de sub-base, foi estabelecida como sendo de macadame seco (MS). Por fim, o subleito de solo. Consideraram-se ainda duas espessuras diferentes de revestimento, duas de base e duas de sub-base. Os valores adotados de módulo de resiliência e coeficiente de Poisson tiveram por base os valores de referência encontrados nas bibliografias consultadas e apresentadas no capítulo de revisão bibliográfica.

(35)

Figura 3-1 - Esquema da estrutura do pavimento

Para simular os efeitos do carregamento do pavimento, utilizou-se um eixo simples de rodas duplas. O eixo recebeu dois carregamentos diferentes e os pneus, duas pressões de inflação diferentes, levando a quatro configurações. Os valores empregados estão resumidos na Tabela 3-1 e na Tabela 3-2:

Tabela 3-1 - Matriz fatorial do pavimento

Camada Materiais Espessuras

(mm) MR (MPa)

Coeficiente de Poisson

Aderência com a camada inferior

Revestimento CA 75 e 125 4.000 e 6.000 0,35 Sim e Não Base BGS | BA 120 e 150 200 e 300 | 1.000 0,40 | 0,35 Sim e Não Sub-base MS 160 e 210 200 0,40 Sim e Não

Subleito Solo 80 0,45

Tabela 3-2 - Matriz fatorial de solicitações

Tipo de eixo Carga por eixo (kN) Pressão de inflação dos pneus (MPa)

(36)

Os dados selecionados foram então combinados, gerando um total de 1536 simulações. Estas foram então realizadas através do software AEMC associado ao programa SisPAV. Das combinações, foram obtidas oito condições de aderência, descritas na Tabela 3-3:

Tabela 3-3 - Condições de Aderência nas Interfaces das Camadas do Pavimento

Condição Descrição

Condição 1 Aderência entre todas as camadas

Condição 2 Sem aderência entre o subleito e a sub-base e aderência nas demais

Condição 3 Sem aderência entre a sub-base e a base e aderência nas demais

Condição 4 Sem aderência entre a base e o revestimento e aderência entre as demais

Condição 5 Aderência somente entre o subleito e a sub-base Condição 6 Aderência somente entre a base e o revestimento

Condição 7 Aderência somente entre a sub-base e a base Condição 8 Sem aderência entre as camadas

Para cada simulação foram obtidos os valores de deflexão máxima no topo do revestimento (Uz), de deformação horizontal por tração no fundo do revestimento (εt) e de deformação vertical no topo do subleito (εv). Para as combinações com BA, também foi obtido o valor da máxima deformação horizontal por tração no fundo dessa camada (εt,BA). Em seguida, estes valores foram aplicados aos modelos de desempenho, analisados e comparados.

Para o MnLayer, foram escolhidas como simulações as combinações de estrutura da Tabela 3-4, que correspondem à estrutura mais rígida, a menos rígida e uma intermediária dentre as simuladas, para cada material de base, para os dois carregamentos de eixo e as duas pressões de inflação consideradas e variando a aderência entre as camadas. Isso gerou um total de outras 192 simulações:

(37)

Tabela 3-4 - Matriz Fatorial de Estruturas de Pavimento para o MnLayer

Estr.

Revestimento Base Sub-base Subleito

Esp. (mm) Mat. MR (MPa) υ Esp. (mm) Mat. MR (MPa) υ Esp. (mm) Mat. MR (MPa) υ Mat. MR (MPa) υ 01 75 CA 4000 0,35 120 BGS 200 0,40 160 MS 200 0,40 Solo 80 0,45 02 75 CA 6000 0,35 120 BGS 300 0,40 160 MS 200 0,40 Solo 80 0,45 03 125 CA 6000 0,35 150 BGS 300 0,40 210 MS 200 0,40 Solo 80 0,45 04 75 CA 4000 0,35 120 BA 1000 0,35 160 MS 200 0,40 Solo 80 0,45 05 75 CA 6000 0,35 120 BA 1000 0,35 160 MS 200 0,40 Solo 80 0,45 06 125 CA 6000 0,35 150 BA 1000 0,35 210 MS 200 0,40 Solo 80 0,45 3.2 Pontos de análise

Com a estrutura do pavimento definida, é necessária a escolha adequada dos pontos a serem analisados. Isso foi feito considerando a geometria do eixo escolhido (ESRD) e as deformações de interesse. Dessa forma, foram selecionados os pontos: a) Direção Z: Para todas as combinações, o topo do revestimento, para obtenção da deflexão (Uz), a fibra mais inferior do revestimento, para a determinação da deformação horizontal (εt), e o topo do subleito, para a obtenção da deformação vertical (εv). Nas simulações com base asfáltica, também a última fibra desta, para a sua deformação horizontal (εt,BA);

b) Direção X: O centro da roda dupla (0,00) e pontos à 2,00; 4,00; 6,24; 7,50; 11,60 e 17,00 cm deste;

c) Direção Y: Centro do semieixo (0,00). Onde:

X: é a coordenada na direção longitudinal do eixo ou transversal da rodovia; Y: é a coordenada na direção transversal do eixo ou longitudinal da rodovia; Z: é a coordenada em direção às camadas do pavimento (profundidade do pavimento).

A Figura 3-2 ilustra a posição dos referidos pontos e a Tabela 3-5 apresenta, como exemplo, as coordenadas utilizadas em uma das simulações.

(38)

Figura 3-2 - Pontos de análise

Tabela 3-5 - Exemplo de pontos de análise (AEMC)

Coordenadas para Análise (cm)

X Y Z 0,000 0,000 0,010 2,000 0,000 0,010 4,000 0,000 0,010 6,240 0,000 0,010 7,500 0,000 0,010 11,600 0,000 0,010 17,000 0,000 0,010 0,000 0,000 7,490 2,000 0,000 7,490 4,000 0,000 7,490 6,240 0,000 7,490 7,500 0,000 7,490 11,600 0,000 7,490 17,000 0,000 7,490 0,000 0,000 35,510 2,000 0,000 35,510 4,000 0,000 35,510 6,240 0,000 35,510 7,500 0,000 35,510 11,600 0,000 35,510 17,000 0,000 35,510

(39)

3.3 Entrada de dados no software AEMC

A entrada de dados no programa é facilitada devido a sua interface simples e autoexplicativa. Inicialmente a estrutura do pavimento é inserida no campo superior, conforme a Figura 3-3. A aderência, foco desse estudo, é configurada na última coluna, sendo a situação de plena aderência correspondente ao valor “0” e a situação de não-aderência (deslizamento) ao valor “100.000”.

Figura 3-3 - Dados da estrutura do pavimento no AEMC

Em seguida, é selecionada a geometria de eixo a ser empregado dentre as opções disponíveis e informado a carga recebida pelo eixo e a pressão de inflação dos pneus (Figura 3-4).

(40)

Também são inseridos os pontos de análise dos esforços da seção principal do software (Figura 3-5). Procede-se então o cálculo dos esforços.

Figura 3-5 - Pontos de análise e saída de resultados

3.4 Entrada de dados no software MnLayer

A entrada de dados no programa é um pouco mais complexa que no caso anterior. Inicialmente deve ser definido na aba “General” a forma de entrada de dados de carga entre três opções, conforme a Figura 3-6. Para este caso, a opção escolhida é a segunda (carga e pressão de inflação).

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Na aba seguinte, “Layers”, é informada a estrutura do pavimento, com o número de camadas, e os respectivos módulos de resiliência, coeficiente de Poisson, espessura e aderência, conforme Figura 3-7. Esta última informação, foco deste estudo, pode assumir dois valores extremos, “0”, para aderência plena entre as camadas e “1000” para ausência total de aderência entre camadas.

Figura 3-7 - Especificação do Pavimento no MnLayer

As informações sobre carga nos eixos e pressão de inflação são inseridas na aba “Loads” (Figura 3-8). Nesse software, é necessário informar a carga que cada roda recebe individualmente, bem como a posição do centro de cada uma em um eixo ordenado.

(42)

Também são inseridos os pontos de análise dos esforços na aba “Analysis

Points” do software, com valores em milímetros (Figura 3-9).

Figura 3-9 - Pontos de análise no MnLayer

Por fim, na aba “Results” (Figura 3-10) são apresentados os resultados da simulação.

(43)

3.5 Seleção de resultados

A determinação do dano por fadiga usualmente é obtida através de modelos que tem por parâmetros o esforço de tração na última fibra do revestimento ou da base rígida. Essa informação é obtida nas colunas “Ex (m/m)” e “Ey (m/m)” dos resultados do AEMC, sendo escolhido o maior valor dentre os obtidos para os diversos pontos analisados na última fibra do revestimento ou da base asfáltica.

Já a avaliação da deformação permanente emprega em seus modelos a deformação vertical no topo do subleito, valor este disponível na coluna “Ez (m/m)” do AEMC, sendo empregado o maior valor dentre os determinados para os pontos analisados do topo do subleito.

Esses valores são obtidos para cada uma das combinações estudadas, sendo salvos para posterior análise comparativa. Já no MnLayer, o valor da deflexão máxima é obtido na coluna “Displacement ZZ”, as deformações de tração nas colunas “Strain XX” “Strain YY” e a deformação vertical no topo do subleito na coluna “Strain ZZ”, da mesma maneira que no AEMC.

3.6 Determinação dos Valores de Solicitações Admissíveis

A determinação dos valores de solicitações admissíveis à fadiga (Nfad) foi realizada através do modelo de Franco (2007). Para a utilização de tal modelo, foi empregado o valor da deformação específica de tração na flexão no fundo do concreto asfáltico (εt), obtidos no AEMC, e o módulo resiliência da camada asfáltica correspondente.

Já para o cálculo dos valores de solicitações admissíveis à deformação permanente (Ndef), utilizou-se o modelo do Asphalt Institute (MONISMITH e BROWN, 1999 apud FRANCO, 2007), com os valores de deformação específica de compressão no topo do subleito (εv), obtidos no AEMC.

(44)

4 ANÁLISE DOS RESULTADOS

Através das 1536 simulações realizadas no AEMC, pode-se perceber que há diversos padrões de comportamento que podem ser considerados. Em 90,10% das simulações, o Nfad do revestimento respeita um padrão em que o seu melhor valor (maior) é obtido para a condição de aderência plena entre todas as camadas (condição 1) e que os valores que se seguem, em ordem decrescente, correspondem as condições 2, 3, 5, 7, 4, 6 e 8 da Tabela 3-3. Em 99,48% das simulações, a melhor condição de aderência é a 1, seguida da condição 2 e da 3. Já a pior, nesses mesmos casos, é a condição 8.

Já para a fadiga da base asfáltica, percebe-se que nas estruturas menos rígidas, o melhor desempenho (maior Nfad,BA) é obtido com todas as camadas aderidas (condição 1), porém com o aumento da rigidez da estrutura, o melhor desempenho é obtido quando somente não há aderência estre a base asfáltica e o revestimento (condição 4). Vale ressaltar que, neste último caso, a ausência de aderência faz com o que as referidas camadas não trabalham monoliticamente, assim, o revestimento acaba sendo mais solicitado, reduzindo seu desempenho.

Para a deflexão máxima, em 100% dos casos analisados, o menor valor desta é obtido, em cada estrutura de pavimento, é da condição em que há aderência entre todas as camadas (condição 1), seguido do caso em que só não há aderência entre o subleito e a sub-base (condição 2). Por sua vez, em todas as simulações realizadas, a maior deflexão ocorreu quando não havia nenhuma aderência entre as camadas (condição 8).

Para a deformação permanente os resultados obtidos foram mais dispersos. Apesar disso, cabe destacar que em 100% dos casos analisados, o maior valor de Ndef foi obtido, para cada estrutura, com a condição de aderência 2, onde só não há aderência entre o subleito e a sub-base. O segundo melhor valor foi obtido em 62,50% dos casos quando da simulação com condição de aderência 6 e nos 37,50% restantes quando da simulação com condição 7. A menor durabilidade, em 90,10% dos casos ocorre quando a única interface sem aderência é a revestimento-base.

(45)

Diante disso, foram selecionadas seis estruturas para serem mais detalhadamente apresentadas, sendo estas as mesmas já escolhidas anteriormente para comparação com o software MnLayer, apresentadas na Tabela 3-4.

4.1 Estimativas de Resistência do Revestimento à Fadiga no AEMC

A seguir são apresentados os resultados obtidos com os resultados das simulações no AEMC para o Nfad, obtidos através do modelo de Franco (2007). Há um gráfico para cada uma das seis estruturas selecionadas (Figura 4-1 até Figura 4-6), onde o número de solicitações admissíveis à fadiga é dado para cada um dos carregamentos considerados para cada condição de aderência.

Figura 4-1 - Nfad do revestimento para a Estrutura 1 (AEMC)

0,00E+00 5,00E+04 1,00E+05 1,50E+05 2,00E+05 2,50E+05 3,00E+05 1 2 3 4 5 6 7 8 Nfad Condição de Aderência

Estrutura de Pavimento 01

ESRD - 100 KN - 0,55 MPa ESRD - 150 KN - 0,55 MPa ESRD - 100 KN - 0,83 MPa ESRD - 150 KN - 0,83 MPa

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Estrutura de Pavimento 02

ESRD - 100 KN - 0,55 MPa ESRD - 150 KN - 0,55 MPa ESRD - 100 KN - 0,83 MPa ESRD - 150 KN - 0,83 MPa 0,00E+00 5,00E+05 1,00E+06 1,50E+06 1 2 3 4 5 6 7 8 Nfad Condição de Aderência

Estrutura de Pavimento 03

ESRD - 100 KN - 0,55 MPa ESRD - 150 KN - 0,55 MPa ESRD - 100 KN - 0,83 MPa ESRD - 150 KN - 0,83 MPa 0,00E+00 1,00E+06 2,00E+06 3,00E+06 4,00E+06 5,00E+06 6,00E+06 1 2 3 4 5 6 7 8 Nfad Condição de Aderência

Estrutura de Pavimento 04

(47)

Da análise dos resultados percebe-se que a condição de aderência entre as camadas exerce forte influência nos valores de solicitações admissíveis que o pavimento pode receber antes de sofrer fadiga. Os resultados obtidos demonstram que, para as estruturas e carregamentos analisados, a existência de aderência entre as camadas prolonga consideravelmente a durabilidade do pavimento, principalmente quando ela está presente entre o revestimento e a base (condições 1, 2, 3 e 6). 0,00E+00 5,00E+05 1,00E+06 1,50E+06 2,00E+06 2,50E+06 3,00E+06 3,50E+06 4,00E+06 1 2 3 4 5 6 7 8 Nfad Condição de Aderência

Estrutura de Pavimento 05

ESRD - 100 KN - 0,55 MPa ESRD - 150 KN - 0,55 MPa ESRD - 100 KN - 0,83 MPa ESRD - 150 KN - 0,83 MPa 0,00E+00 1,00E+06 2,00E+06 3,00E+06 4,00E+06 5,00E+06 6,00E+06 7,00E+06 1 2 3 4 5 6 7 8 Nfad Condição de Aderência

Estrutura de Pavimento 06

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Os melhores resultados de Nfad foram obtidos para as estruturas com todas as camadas aderidas, seguidos pelos casos em que só não há aderência entre a sub-base e o subleito (2) (em média 13,00% menor para as estruturas com sub-base granular e 13,68% menor para as com base asfáltica). Em seguida, as condições 3 e 6 apresentam resultados semelhantes, sendo em média 33,41% menores que as da condição de aderência 2. Os casos 4, 5, 7 e 8 apresentam resultados semelhantes entre si. Comparados com os casos anteriores, são em média 33,83% menores quando do emprego de base granular e 86,97% menores com o emprego de base asfáltica. Quando comparada as estruturas com condição de aderência 1 com as da condição 8 (maior e menor valor respectivamente em 99,48% das simulações), tem-se uma diferença de 70,98%, em média, para batem-se granular e 93,31%, em média, para a base asfáltica.

Quando comparada a média do Nfad das estruturas com aderência entre o revestimento e a base com as sem aderência entre as mesmas, percebe-se que há uma diferencia média de 47,10% para as estruturas com base granular (1, 2 e 3) e de 87,32% para as estruturas com base asfáltica (4, 5, e 6) a favor das estruturas com aderência. Isso enfatiza a importância de utilização de técnicas que garantam a aderência entre as supracitadas camadas, como com a realização de uma boa imprimação e pintura de ligação sobre a base antes da execução do revestimento.

É interessante observar ainda que o emprego de uma base rígida faz com que a resistência à fadiga do revestimento em geral aumente. Apesar disso, quando da ausência de aderência entre essa e o revestimento, o incremento no Nfad é consideravelmente menor (em média 33,45% maior) do que com uma boa aderência entre essas camadas, em que o acréscimo no Nfad passa a ser, em média, 83,57%.

Percebe-se também que em geral as estruturas mais robustas possibilitam valores de solicitações admissíveis maiores. O aumento do módulo de resiliência dos materiais mantendo a espessura constante levou a um aumento médio de 75,52% de Nfad nos casos de emprego de base granular, porém quando empregada base asfáltica, houve uma queda média de 39,33%. Já o aumento da espessura mantendo o mesmo valor de módulo de resiliência gerou um incremento de 239,55%, em média, de Nfad quando há base granular e 102,52% quando há base asfáltica. A estrutura menos robusta com base granular (1) analisada possui em média 83,22% menos Nfad que a mais robusta com base granular (3). Entre as estruturas com base asfáltica, a mais robusta (6) é, em média, 102,52% mais

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durável que a menos resistente (5). Entre as seis estruturas apresentadas, o número de solicitações admissíveis na menos robusta (1) foi, em média, 94,94% menor do que na mais robusta (6).

A variação da condição de aderência influenciou na variação do número de solicitações admissíveis entre as estruturas. Para a alteração unicamente dos módulos de elasticidade, a estrutura que menos teve crescimento no Nfad é a com condição de aderência 7 para base granular e 1 para base asfáltica. Esse crescimento foi, em média 49,61% menor que o da estrutura que teve maior crescimento com base granular (6). Para a base asfáltica, a condição de aderência 1 teve queda média de 31,88% no Nfad se comparada com a estrutura anterior, já o maior crescimento médio foi de 24,58% para a condição 8, comparando com a estrutura anterior. Para a variação unicamente das espessuras, a simulação que menos teve crescimento no Nfad é a com condição de aderência 1 para base granular e para base asfáltica. Esse crescimento foi, em média 56,26% e 188,48% menor que o da condição de aderência que teve maior crescimento com base granular (8) e asfáltica (8) respectivamente. De maneira geral, a condição de aderência 8 é a que mais sofre variação no Nfad e a condição 1 a que menos varia entre as estruturas analisadas. Se considerarmos a estrutura menos robusta e a mais robusta de cada base, tem-se que a condição 8 tem crescimento médio 29,66% e 1167,01% maior que a condição 1 para base granular e asfáltica respectivamente.

4.2 Estimativas de Resistência à Fadiga da Base Asfáltica pelo AEMC

Nas figuras 4-7, 4-8 e 4-9 são apresentados os valores obtidos com os resultados das simulações no AEMC para o Nfad, do modelo de Franco (2007) para as três estruturas de pavimento com base asfáltica selecionadas. Há um gráfico para cada uma dessas estruturas, onde o número de solicitações admissíveis à fadiga é dado para cada um dos carregamentos considerados e para cada condição de aderência.

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Figura 4-7 - Nfad da Base Asfáltica para a Estrutura 4 (AEMC)

Figura 4-8 - Nfad da Base Asfáltica para a Estrutura 5 (AEMC)

Estrutura de Pavimento 04

ESRD - 100 KN - 0,55 MPa ESRD - 150 KN - 0,55 MPa ESRD - 100 KN - 0,83 MPa ESRD - 150 KN - 0,83 MPa 0,00E+00 2,00E+05 4,00E+05 6,00E+05 8,00E+05 1,00E+06 1,20E+06 1,40E+06 1,60E+06 1 2 3 4 5 6 7 8 Nfad Condição de Aderência