ANÁLISE DE BACIAS DEFLECTOMÉTRICAS OBTIDAS POR 4 EQUIPAMENTOS DO TIPO FALLING WEIGHT DEFLECTOMETER (FWD) Carla Gonçalves de Moraes

(1)

ANÁLISE DE BACIAS DEFLECTOMÉTRICAS OBTIDAS POR 4 EQUIPAMENTOS DO TIPO FALLING WEIGHT DEFLECTOMETER (FWD)

Carla Gonçalves de Moraes

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.

Orientador: Laura Maria Goretti da Motta

Rio de Janeiro Janeiro de 2015

(2)

(3)

iii Moraes, Carla Gonçalves de

Análise de bacias deflectométricas obtidas por 4 equipamentos do tipo Falling Weight Deflectometer (FWD)/Carla Gonçalves de Moraes – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2015.

XIX, 280 p.: il.; 29,7 cm.

Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Civil, 2015.

Referências Bibliográficas: p. 102-106.

1. Deflexão. 2. Pavimento Flexível. 3. Falling Weight Deflectometer (FWD). 4. Calibração. I. Motta, Laura Maria Goretti da. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Civil. III. Título.

(4)

iv

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho aos meus pais, Rosane e Carlos Alberto (in memorian) e a meu irmão Walter.

(5)

v

AGRADECIMENTOS

Ao meu pai Carlos Alberto (in memorian) e a minha mãe Rosane, pelo esforço e dedicação ao me proporcionar e incentivar os estudos, muitas vezes nos privando de certos confortos, em prol da oportunidade de seguir meus sonhos.

Ao meu irmão Walter por sempre estar ao meu lado, me incentivando principalmente nos momentos mais difíceis de minha vida.

À minha orientadora Laura Maria Goretti da Motta pelo incentivo, dedicação e entusiasmo no auxílio às atividades e discussões durante o andamento desta dissertação. Especialmente ao MSc. Marcos Antonio Fritzen por todo o apoio prestado no desenvolvimento deste trabalho. Sua ajuda foi fundamental para o desenvolvimento e conclusão deste trabalho.

Ao amigo Rafael Marques Alves que esteve presente em todas as etapas de campo deste trabalho, numa rara demonstração de amizade e solidariedade.

Às empresas CENPES e BR, representada pelos engenheiros Sérgio, Fabrício Mourão e Ricardo, pela grande ajuda prestada durante toda a pesquisa.

À Diretoria de Engenharia da Aeronáutica por permitir a utilização do FWD para o desenvolvimento deste trabalho.

Ao meu chefe e grande incentivador Filipe Augusto Cinque de Proença Franco, pela fundamental ajuda e cooperação nesta dissertação.

Ao engenheiro do Laboratório de Pavimentação da COPPE Álvaro Dellê, pela ajuda na execução dos ensaios.

A todos que de uma maneira ou de outra contribuíram para a realização deste trabalho, muito obrigada!

E finalmente agradeço a Deus que me deu forças para superar e conquistar todos os obstáculos ao longo desta jornada.

(6)

vi

Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)

ANÁLISE DE BACIAS DEFLECTOMÉTRICAS OBTIDAS POR 4 EQUIPAMENTOS DO TIPO FALLING WEIGHT DEFLECTOMETER (FWD)

Janeiro/2015

Programa: Engenharia Civil

O Falling Weight Deflectometer (FWD) é atualmente o equipamento mais utilizado para a avaliação estrutural não-destrutiva dos pavimentos. É absolutamente necessário que os resultados dos ensaios sejam precisos. Dados imprecisos podem levar a conclusões incorretas sobre a condição estrutural do pavimento e gerar erros graves nos projetos. Para isso é necessário a calibração adequada do FWD. Este trabalho apresenta as análises e os resultados de uma série de ensaios de repetibilidade e reprodutibilidade realizados com 4 equipamentos Falling Weight Deflectometer. Os ensaios foram realizados de acordo com a metodologia descrita no Protocolo 10 do “Falling Weigth Deflectometer Calibration Guide” da Technology Platform for Infrastructure, Traffic, Transport and Public Space (CROW) de 2011. As análises realizadas compararam as bacias deflectométricas obtidas pelos 4 equipamentos FWD afim de verificar se houve diferenças expressivas nas medidas de carga, deflexão e temperatura registradas por esses equipamentos. Os resultados obtidos confirmaram e justificam a necessidade de implantação de um sistema de calibração no país, de forma que todos os equipamentos operem sob um mesmo referencial e possam agregar confiabilidade e economia nos projetos de pavimentação da Engenharia Nacional.

(7)

vii

Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)

ANALYSIS DEFLECTION BOWLS OBTAINED 4 EQUIPMENTS TYPE FALLING WEIGHT DEFLECTOMETER (FWD)

January/2015

Advisor: Laura Maria Goretti da Motta

Department: Civil Engineering

The Falling Weight Deflectometer (FWD) is currently the most used equipment for the non-destructive structural evaluation of pavements. The accuracy of the test results is absolutely necessary. Inaccurate data can lead to incorrect conclusions about the structural condition of the pavement and generate significant errors in projects. For this, it is necessary the proper calibration of FWD. This paper presents the analysis and results of a series of repeatability and reproducibility tests conducted with 4 Falling Weight Deflectometer equipment. The tests were realized according to the methodology described in Protocol 10 to the "Falling Weigth Deflectometer Calibration Guide" of the Technology Platform for Infrastructure, Traffic, Transport and Public Space (CROW) 2011. The analyzes accomplished were compared with the deflectometrics basins obtained by 4 FWD equipment in order to verify if there were significant differences in load measurements, deflection and temperature recorded by these equipments. The results confirmed and justify the need for the implementation of a calibration system in the country so that all equipment operating under the same reference and can add reliability and optimization of costs paving projects of National Engineering.

(8)

viii

Sumário

1 Introdução ... 1

2 Revisão Bibliográfica ... 5

2.1 Avaliação Estrutural do Pavimento ... 5

2.2 Equipamentos para Medida de Deflexões ... 7

2.2.1 Equipamentos de Carregamento Quase-Estático ... 8

2.2.2 Equipamentos de Carregamento Vibratório ... 15

2.2.3 Equipamentos de Carregamento por Impulso ... 17

3 Falling Weight Deflectometer (FWD)... 19

3.1 Fwd Dynatest ... 23

3.2 FWD Kuab ... 27

3.3 Fatores que Influenciam os Valores de Deflexão ... 30

3.3.1 Efeitos Sazonais de Umidade ... 30

3.3.2 Temperatura ... 31

3.3.3 Carregamento ... 32

3.3.4 Posicionamento dos sensores ... 32

3.4 Calibração do Equipamento FWD ... 33

3.4.1 História ... 33

3.4.2 Procedimento de Calibração SHRP ... 34

(9)

ix

3.4.2.2 Calibração Relativa ... 36

3.4.2.3 Centro de Calibração FWD do Atlântico Norte ... 37

3.4.3 Procedimento de Calibração Móvel TxDOT (Projeto 913) ... 38

3.4.4 Procedimento de Calibração TRL (Dia de Teste) ... 39

3.4.5 Procedimento de Calibração CROW ... 39

3.4.5.1 PROTOCOLO 10 – Ensaio para Correlação entre FWDs ... 40

3.4.6 FWD Day - Holanda ... 41

3.4.7 Comparação entre FWDs no Brasil – IPR/DNIT ... 48

4 Equipamentos e Métodos ... 52

4.1 Descrição dos Trechos Experimentais ... 52

4.1.1 Trecho 1 – Universidade Federal do Rio de Janeiro ... 52

4.1.2 Trecho 2 – Arco Metropolitano do Rio de Janeiro ... 53

4.2 Equipamentos Utilizados ... 54 4.2.1 Equipamento 1 ... 55 4.2.2 Equipamento 2 ... 57 4.2.3 Equipamento 3 ... 58 4.2.4 Equipamento 4 ... 59 4.3 Avaliação da Repetibilidade ... 60

4.3.1 Procedimentos para a execução do ensaio de repetibilidade e análise dos resultados ... 61

(10)

x

5 Apresentação dos Resultados ... 67

5.1 Experimento Piloto ... 67

5.1.1 Resultados ... 70

5.1.2 Considerações sobre os resultados dos ensaios realizados no dia 27/06/2014 ... 77

5.2 Experimento 2 ... 78

5.2.1 Repetibilidade ... 80

5.2.1.1 Resultados ... 80

5.2.1.2 Considerações sobre os resultados dos ensaios de repetibilidade realizados no dia 13/11/2014 ... 82

5.2.2 Reprodutibilidade ... 83

5.2.2.2 Considerações sobre os resultados dos ensaios de reprodutibilidade realizados no dia 13/11/2014 ... 86

5.3 Experimento 3 ... 86

5.3.1 Repetibilidade ... 88

5.3.1.2 Considerações sobre os resultados dos ensaios de repetibilidade realizados no dia 04/12/2014 ... 90

5.3.2 Reprodutibilidade ... 91

(11)

xi

5.4.1 Resultados ... 98

5.4.2 Considerações sobre os resultados dos ensaios para verificação de temperatura realizados no dia 17/12/2014 ... 101

6 Conclusões e Sugestões de Pesquisas Futuras ... 102

6.1 Conclusões ... 102

6.2 Sugestões de Pesquisas Futuras ... 103

Referências Bibliográficas ... 104

Anexo I ... 109

Anexo II ... 164

Anexo III ... 224

(12)

xii

Lista de Figuras

Figura 2.1: Esquema do Ensaio de Placa (ALBERNAZ, 1997). ... 9

Figura 2.2: Esquema da viga Benkelman (DNER-ME 24/94). ... 10

Figura 2.3: Esquema da Viga Benkelman para medição de deflexões de pavimentos em provas de carga de rodas duplas de caminhão (MEDINA E MOTTA, 2005). ... 10

Figura 2.4: Deflectógrafo Lacroix - veículo com os equipamentos e dispositivos (DNIT 162/2012 – PRO). ... 13

Figura 2.5: Deflectógrafo Lacroix – mecanismo sob o veículo (DNIT 162/2012 – PRO). ... 14

Figura 2.6: Viga Benkelman automatizada de leitura eletrônica por LVDT no lugar do micrômetro: aparelhagem, viga e odômetro em posição de uso (MEDINA E MOTTA, 2005). ... 14

Figura 2.7: Gráfico típico da força dinâmica resultante em equipamentos de carregamento vibratório (LUIS, 2009). ... 15

Figura 2.8: Esquema representativo do Dynaflect (LUIS, 2009). ... 16

Figura 2.9: Equipamento Dynaflect (LUIS, 2009). ... 16

Figura 2.10: Ilustração do Road Rater (LUIS, 2009). ... 17

Figura 2.11: Exemplos de deflectômetro de impacto tipo FWD e esquema das medições de deformações elásticas (MEDINA E MOTTA, 2005). ... 18

Figura 3.1: Deflectômetro de Impacto (DNIT, 2006) ... 19

Figura 3.2: Sensores de medida de deflexão de um FWD... 20

Figura 3.3: Posicionamento de 17 geofones no FWD (CLEMÉN, 2010). ... 23

(13)

xiii

Figura 3.5: Equipamento FWD em seu trailer sendo rebocado por um veículo de apoio

onde fica o operador e o computador de controle do ensaio (MOTTA, 2013). ... 24

Figura 3.6: Placa de aplicação de carga e geofones de medida das deflexões (MOTTA, 2013). ... 25

Figura 3.7: Detalhes da placa e geofones – parte inferior do FWD na situação preparada para o ensaio (aplicação da carga) (MOTTA, 2013). ... 25

Figura 3.8: Detalhe da parte superior do FWD e do sistema de pesos para aplicação das cargas por impacto (MOTTA, 2013). ... 26

Figura 3.9: Gráfico da bacia de deflexão com FWD (MACÊDO, 1996). ... 26

Figura 3.10: FWD Modelo Kuab (MOTTA, 2013). ... 28

Figura 3.11: Diagrama esquemático KUAB FWD (LUIS, 2009). ... 29

Figura 3.12: Sistema de leitura das deflexões na posição de operação (MOTTA, 2013). ... 29

Figura 3.13: Visão global dos sistemas de aplicação da carga (placa) e de leitura das deflexões na posição de operação (MOTTA, 2013). ... 30

Figura 3.14: Ensaio de Calibração de Referência (CLEMÉN, 2010). ... 36

Figura 3.15: Torre para empilhamento de sensores em calibração (CLEMÉN, 2010). . 37

Figura 3.16: Execução do ensaio de calibração relativa (CLEMÉN, 2010)... 37

Figura 3.17: Centro de Calibração do Atlântico Norte (www.dot.state.pa.us)... 38

Figura 3.18: Fluxograma para teste de correlação entre FWDs (Adaptado de CROW, 2011). ... 41

Figura 3.19: FWD Day realizado na Holanda em 2013 (CROW, 2013). ... 42

Figura 3.20: Equipamentos no local do ensaio (CROW, 2013). ... 42

(14)

xiv

Figura 3.22: FWD01 Dynatest 8002 (CROW,2013) ... 44

Figura 3.23: FWD02 Dynatest 8002 (CROW,2013) ... 44

Figura 3.24: FWD04 Grontmij PRIMAX1500 (CROW,2013) ... 44

Figura 3.25: FWD06 Grontmij PRIMAX2500 (CROW,2013) ... 44

Figura 3.26: FWD05 Carl Bro PRI2100 (CROW,2013) ... 44

Figura 3.27: FWD08 Carl Bro PRI2100 (CROW,2013) ... 44

Figura 3.28: FWD09 Phønix 1509 (CROW,2013) ... 45

Figura 3.29: FWD10 RODOS FWD/HWD 2012 (CROW,2013) ... 45

Figura 3.30: Resultado do ensaio para verificação da repetibilidade para FWD os equipamentos A-H (CROW, 2013). ... 45

Figura 3.31: Resultado do ensaio para verificação da repetibilidade para FWD os equipamentos I-P (CROW, 2013). ... 46

Figura 3.32: Desvio padrão da deflexão medida por sensor (CROW, 2013). ... 46

Figura 3.33: Gráfico comparativo entre as temperaturas registradas pelos FWDs e pelo medidor de temperatura (CROW, 2013). ... 47

Figura 3.34: Resultados dos ensaios realizados no Ponto 1 (SILVA, 2015). ... 48

Figura 3.35: Resultado dos ensaios realizados no Ponto 2 (SILVA, 2015). ... 49

Figura 3.36: Resultado dos ensaios realizados no Ponto 3 (SILVA, 2015). ... 49

Figura 3.37: Centro de Calibração Móvel Dynatest (ABDOU, 2015). ... 50

Figura 3.38: Base para calibração (ABDOU, 2015). ... 50

Figura 3.39: Sistema de aquisição dos dados (ABDOU, 2015). ... 51

(15)

xv

Figura 4.1: Localização do campus da UFRJ através de mapa de satélite ... 52

Figura 4.2: Localização do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro através de mapa de satélite (www.g1.com.br, 2015). ... 54

Figura 4.3: FWD COPPE no início de uma operação. ... 56

Figura 4.4: FWD COPPE - Sistema de leitura das deflexões na posição de operação. . 56

Figura 4.5: Equipamento FWD Kuab – CENPES. ... 57

Figura 4.6: Equipamento FWD Kuab – BR. ... 58

Figura 4.7: Equipamento FWD Dynatest da Diretoria de Engenharia da Aeronáutica .. 59

Figura 4.8: Equipamento FWD Dynatest da Diretoria de Engenharia da Aeronáutica .. 60

Figura 4.9: Fluxograma para a verificação da repetibilidade (Adaptado de CROW, 2011) ... 61

Figura 5.1: Equipamento 1 posicionado para o ensaio ... 69

Figura 5.2: Execução do ensaio com o Equipamento 1 ... 69

Figura 5.7: Resultado do Ensaio de Repetibilidade em 27/06/2014 – Equipamento 2 .. 74

Figura 5.8: Resultado do Ensaio de Repetibilidade em 27/06/2014 – Equipamento 3 . 76 Figura 5.9: Trincas na superfície do pavimento ensaiado. ... 77

(16)

xvi

Figura 5.11: Marcação no asfalto da seção a ser ensaiada pelos 3 equipamentos ... 79

Figura 5.12: Detalhe de um dos equipamentos em operação ... 79

Figura 5.13: Resultado do Ensaio de Repetibilidade em 13/11/2014 – Equipamento 1 80 Figura 5.14: Resultado do Ensaio de Repetibilidade em 13/11/2014 – Equipamento 2 81 Figura 5.15: Resultado do Ensaio de Repetibilidade em 13/11/2014 – Equipamento 3 82 Figura 5.16: Desvio-padrão das deflexões por sensor ... 84

Figura 5.17: Equipamentos em comboio para a realização dos ensaios próximo ao alojamento dos alunos. ... 87

Figura 5.18: Equipamentos em comboio para a realização dos ensaios nas vias do Parque Tecnológico ... 87

Figura 5.19: Resultado do Ensaio de Repetibilidade em 04/12/2014 – Equipamento 1 89 Figura 5.20: Resultado do Ensaio de Repetibilidade em 04/12/2014 – Equipamento 3 89 Figura 5.21: Resultado do Ensaio de Repetibilidade em 04/12/2014 – Equipamento 4 90 Figura 5.22: Posicionamento do Sensor 𝐷0 – Equipamento 4 ... 91

Figura 5.23: Desvio-padrão das deflexões por sensor ... 92

Figura 5.24: Deflexões medidas na Seção 5 ... 93

Figura 5.29: Localização dos ensaios (Google Earth, 2015). ... 96

(17)

xvii

Figura 5.31: Posicionamento do FWD para a realização das leituras de temperatura. .. 97 Figura 5.32: Equipamento utilizado para registrar as leituras dos termopares ... 97 Figura 5.33: Temperaturas registradas no dia 17/12/2014 ... 99 Figura 5.34: Temperaturas registradas pelos termopares nos dias 16 e 17/12/2014 .... 100

(18)

xviii

Lista de Tabelas

Tabela 2.1: Distâncias de ensaio em relação à borda do revestimento (DNER-ME

24/94). ... 12

Tabela 3.1: Fatores de correlação obtidos no ensaio de reprodutibilidade (CROW, 2013). ... 47

Tabela 5.1: Desvio Padrão das Cargas e Deflexões Registradas pelo Equipamento 1 em 27/06/2014 ... 71

Tabela 5.7: Posicionamento dos Sensores ... 83

Tabela 5.8: Desvio Padrão das Deflexões por Sensor ... 84

Tabela 5.9: Fator de Correlação dos sensores e por FWD ... 85

Tabela 5.10: Variação da temperatura medida pelos equipamentos ... 85

Tabela 5.11: Desvio Padrão das Cargas Registradas pelo Equipamento 1 em 04/12/2014 ... 88

(19)

xix

Tabela 5.12: Desvio Padrão das Cargas Registradas pelo Equipamento 3 em 04/12/2014

... 89

Tabela 5.13: Desvio Padrão das Cargas Registradas pelo Equipamento 4 em 04/12/2014 ... 90

Tabela 5.14: Desvio Padrão das Deflexões por Sensor ... 92

Tabela 5.15: Fator de Correlação dos sensores e por FWD ... 92

Tabela 5.16: Variação da temperatura medida pelos equipamentos ... 95

(20)

1

1 Introdução

Com a rápida evolução da frota de veículos, as rodovias brasileiras passaram a lidar com um volume de tráfego cada vez maior e não previsto no projeto de dimensionamento de sua estrutura.

Os danos provocados pelas cargas elevadas, pela repetição de passagem das rodas dos veículos e pelo clima (principalmente temperatura e umidade) são cumulativos e fazem com que a rodovia tenha uma queda continuada na sua serventia. A manutenção da rodovia passa a ser então a maior atividade de todos os departamentos de estrada, de vias urbanas e de aeroportos.

A engenharia brasileira e os órgãos públicos tem se esforçado para buscar soluções para este problema, investindo milhões na manutenção (restauração e conservação) dos pavimentos com o objetivo de manter os níveis operacionais e de segurança ou de prolongar suas vidas de serviço. Contudo, a prática nacional nos diversos níveis de administração não prioriza a gerência otimizada com planejamento da manutenção preventiva e, como consequência, são feitas mais intervenções corretivas e as obras emergenciais acabam tendo maior porte, maiores custos e soluções de menor eficácia.

Diante deste cenário, percebe-se o crescente interesse no desenvolvimento de sistemas de gerenciamento de pavimentos, que constitui importante ferramenta para traçar a forma mais eficaz de aplicação dos recursos públicos disponíveis nas rodovias, ruas ou aeroportos que necessitam de recuperação, baseando as decisões na condição atual do pavimento.

Avaliar a “condição” significa determinar como o pavimento está desenvolvendo sua função básica (conforto ao rolamento e segurança) associada à sua condição estrutural, que indicará as características de resistência e deformabilidade das camadas do pavimento, diretamente relacionada à capacidade que o pavimento tem de suportar os efeitos das cargas do tráfego das ações climáticas.

(21)

2

A avaliação estrutural de pavimentos tem merecido a atenção de engenheiros e pesquisadores, visto que a determinação correta da condição estrutural é de fundamental importância para determinar como o pavimento evoluirá ao longo do tempo se nenhuma intervenção for executada, bem como permite a avaliação da implementação de diversas alternativas de restauração. Esta avaliação pode ser efetuada através de vários tipos de equipamentos e procedimentos, que por sua vez pode ser acessada por processos de medidas de deflexões.

Os dados das medidas deflectométricas fornecem a bacia de deflexão que são usadas em procedimentos de retroanálise para determinação dos valores de módulo elástico das várias camadas que compõem o pavimento em estudo, gerando um banco de dados que traduz o nível de degradação estrutural do pavimento.

O equipamento mais utilizado atualmente para as medidas de deflexão é o Falling Weight Deflectometer (FWD). O ensaio consiste em aplicar a carga de impacto e ler os deslocamentos em vários sensores colocados ao longo de um suporte em posições convenientemente escolhidas para se obter a linha de deslocamento. Para que os dados obtidos pelo FWD possam ser usados com confiança, o equipamento precisa ser constantemente calibrado.

Nos países desenvolvidos existem centros de calibração para diferentes fabricantes de equipamentos tipo FWD, com o objetivo de manter os equipamentos com operacionalidade confiável do ponto de vista de precisão das medidas. Olle Tholen, principal executivo da fabricante Kuab, recomenda a calibração anual dos equipamentos para que sejam corrigidas as imprecisões geradas pelo desgaste natural do equipamento pelo seu uso.

No ponto correspondente à calibração, o Brasil não tem nenhum centro de calibração de FWD até o momento, apesar de já se ter cerca de 30 equipamentos atuando e após 25 anos do primeiro chegar ao país.

Outro evento que não ocorre no Brasil, mas tem se mostrado muito contributivo para o alcance desta confiabilidade de equipamentos do tipo FWD é o “FWD Day”. Desde 1987 é realizado na Holanda este encontro, onde ocorre um estudo comparativo entre os equipamentos FWDs europeus. São escolhidos locais críticos para os ensaios,

(22)

3

normalmente com estrutura de pavimento com bom subleito e outros trechos com subleito ruim. O objetivo do estudo é a determinação da repetibilidade de cada FWD e a comparação entre distintos equipamentos (CROW, 2007).

Dentro deste panorama, este trabalho teve o objetivo de contribuir para o aprofundamento técnico do uso do equipamento Falling Weight Deflectometer (FWD) e a verificação da acurácia e confiabilidade de equipamentos em uso no Brasil para que sejam assim minimizados os erros nos diagnósticos e projetos de reforço e restauração de pavimentos.

O trabalho experimental foi realizado em trechos das principais avenidas da Cidade Universitária da Universidade Federal do Rio de Janeiro, na Ilha do Fundão, e em trechos do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro, onde foram realizadas as avaliações estruturais dos pavimentos por meio de medições deflectométricas realizadas por 4 (quatro) equipamentos do tipo Falling Weight Deflectometer (FWD).

Para uma correta interpretação, os dados estruturais levantados foram analisados segundo o Protocolo 10 do “Falling Weigth Deflectometer Calibration Guide” da Technology Platform for Infrastructure, Traffic, Transport and Public Space (CROW) de 2011, verificando a repetibilidade de cada equipamento e a reprodutibilidade entre eles, sabendo que há diferenças entre os equipamentos segundo modelos e fabricantes. Como não se tem centro de calibração no Brasil, e já existem equipamentos de vários modelos e idades, torna-se importante fazer esta avaliação.

Com o intuito de atingir os objetivos acima descritos, esta dissertação foi estruturada em 6 Capítulos e IV anexos:

• O Capítulo 1 apresenta a introdução e contextualização deste trabalho e seus objetivos;

• O Capítulo 2 apresenta a revisão bibliográfica sobre avaliação estrutural de pavimentos;

• No Capítulo 3 é realizada uma descrição mais aprofundada dos equipamentos tipo Falling Weight Deflectometer (FWD), principal equipamento utilizado nesta dissertação;

(23)

4

• O Capítulo 4 apresenta a descrição dos trechos onde foram realizados os testes, dos equipamentos utilizados e a metodologia utilizada para realização dos ensaios propriamente ditos;

• O Capítulo 5 apresenta os resultados dos ensaios realizados e as análises efetuadas;

• O Capítulo 6 apresenta as principais conclusões obtidas e sugestões para novas pesquisas relacionadas ao tema desenvolvido;

• O Anexo I apresenta os dados e análises dos ensaios de repetibilidade realizados na Universidade Federal do Rio de Janeiro no dia 27/06/2014;

• O Anexo II apresenta os dados e análises dos ensaios de repetibilidade e reprodutibilidade realizados no dia 13/11/2014 no Arco Metropolitano do Rio de Janeiro;

• O Anexo III apresenta os dados e análises dos ensaios de repetibilidade e reprodutibilidade realizados na Universidade Federal do Rio de Janeiro no dia 04/12/2014; e

• O Anexo IV apresenta os dados e análises dos ensaios para verificação de temperatura realizados na Universidade Federal do Rio de Janeiro dia 14/12/2014.

(24)

5

2 Revisão Bibliográfica

2.1 Avaliação Estrutural do Pavimento

A condição estrutural do pavimento indica por quanto tempo este ainda manterá um nível adequado de condição funcional ou serventia. A condição de um pavimento representa o nível de degradação resultante do processo de deterioração (DNER, 1998).

É conhecida como avaliação estrutural de pavimentos o conjunto de procedimentos que determinam as respostas da estrutura quando sujeita às cargas do tráfego, traduzida na forma de tensões, deformações e deflexões em determinados pontos do pavimento, de forma que seja possível verificar sua capacidade de resistir aos mecanismos responsáveis pela degradação da estrutura do pavimento. A partir deste diagnóstico, torna-se possível definir quais serviços serão necessários ao restabelecimento das condições admissíveis aos usuários da rodovia (RODRIGUES, 1995).

Segundo RODRIGUES (1996), um retrato completo da condição estrutural de um pavimento deve ser composto pelos seguintes elementos:

• Parâmetros que descrevem a deformabilidade elástica ou viscoelástica dos materiais das camadas, sob as condições de solicitação impostas pelas cargas transientes dos veículos. São utilizados para se calcular as tensões e deformações induzidas pelas cargas do tráfego na estrutura do pavimento;

• Parâmetros que descrevam a resistência dos materiais ao acúmulo de deformações plásticas e à geração de trincas por fadiga sob cargas repetidas, os quais são função da natureza do material, de sua condição (densidade, umidade) e do histórico de solicitações;

• Integridade das camadas asfálticas e cimentadas, expressas pelo grau de fissuramento.

(25)

6

A verificação destas características pode ser efetuada através de vários tipos de equipamentos e procedimentos, por avaliações destrutivas, semi-destrutivas e não destrutivas. A seguir descreve-se cada uma destas condições.

a) Avaliação Destrutiva

São aquelas onde são extraídas amostras das camadas do pavimento para determinação, em laboratório, de suas características in situ. O procedimento consiste na abertura de poços de sondagem, extração de corpos de prova ou abertura de trincheiras para verificação da espessura das camadas, das condições e tipos dos materiais, das eventuais deformações das camadas, das condições de umidade, da característica do subleito e fatores construtivos. Alguns ensaios podem ser realizados in situ nas camadas de solo e materiais granulares, como por exemplo, o CBR e as determinações da umidade e densidade. A avaliação destrutiva apresenta a desvantagem de ter que interromper o tráfego e causar defeito na seção do pavimento.

Os métodos destrutivos são pouco utilizados para avaliação de estruturas de pavimento em grandes extensões. Restringem-se normalmente a problemas localizados, cujos resultados raramente são publicados. (HAAS et al.,1994). Nos procedimentos de projeto de reforço, as normas DNIT – PRO 010/79 e PRO 269/94 recomendam a abertura de poços de sondagem espaçados a cada 2km.

b) Avaliação Semi-Destrutiva

É o método que permite aberturas menores no pavimento com a utilização de equipamentos portáteis de pequenas dimensões. O Dynamic Cone Penetrometer (DCP) é um exemplo deste método. O aparelho tem por finalidade medir e caracterizar a capacidade de suporte do solo in situ, em seu estado natural ou em camadas compactadas. Este índice, denominado índice de cone (Ic), aplicado em diagramas adequados, permite a avaliação da capacidade de suporte de um terreno, bem como, por intermédio do uso de correlações, a obtenção do CBR desse solo.

Atualmente tem sido utilizado o LWD – Light Weight Deflectometer que é um equipamento portátil para a avaliação expedita do módulo de resiliência das camadas do pavimento, através da medição de pulsos aplicados na superfície.

(26)

7 c) Avaliação Não-Destrutiva

Consiste no registro de defeitos da superfície e na realização de provas de cargas, onde são medidos os parâmetros de resposta da estrutura às cargas de roda em movimento, atuando dentro do regime elástico de deformação do pavimento, ou seja, o regime em que as deformações recuperáveis (elásticas) retornam ao estado inicial assim que cessa a aplicação de carga. O deslocamento vertical da superfície é o parâmetro de resposta cuja medida é mais simples e confiável, em comparação com tensões ou deformações, razão pela qual, quase a totalidade de equipamentos para ensaios não destrutivos é composta de equipamentos do tipo medidores de deflexões (CARDOSO, 1992).

Obtidos os dados que respaldem os tipos de intervenções corretivas na estrutura do pavimento, podem ser executadas operações de manutenção corretiva, intervenções parciais ou totais em relação à largura da via, espessura da camada betuminosa, até a restauração mais invasiva, que é a reconstrução total do pavimento, inclusive nas camadas de base. Desta forma, busca-se restabelecer as características de conforto, segurança e economia aos usuários das vias, independentemente de quais atividades sejam efetuadas para proporcionar tal estado. Este diagnóstico é realizado com base em uma série de parâmetros que definem o comportamento do pavimento (GONTIJO et al., 1994).

A avaliação da deflexão pode ser feita por diversos equipamentos conhecidos como deflectômetros. A bacia de deflexão gerada, permite que sejam determinados os módulos de elasticidade das camadas do pavimento, por retroanálise dos parâmetros de deformação.

2.2 Equipamentos para Medida de Deflexões

Com o progresso da avaliação estrutural de pavimentos, foram criadas várias técnicas e equipamentos de ensaios não destrutivos (NDT) cada qual com suas peculiaridades. Desenvolveu-se assim, cada vez mais, o controle de qualidade dos serviços de pavimentação, desde a construção até a restauração.

(27)

8

Segundo MEDINA et al. (1994), quanto à forma de aplicação da carga, havia três classes de equipamentos utilizados na avaliação estrutural não-destrutiva, a saber:

• Equipamentos de carregamento estático e quase-estático: ensaio de placa, viga Benkelman, viga Benkelman Automatizada, deflectômetros Lacroix, entre outros;

• Equipamentos de carregamento vibratório: Dynaflect, Road Rater, etc.;

• Equipamentos de carregamento por impulso: Falling Weight Deflectometer (FWD).

De acordo com NÓBREGA (2003), métodos alternativos têm surgido com a finalidade de auxiliar na avaliação da capacidade estrutural dos pavimentos. São exemplos deles o Ground Penetration Radar e os equipamentos que usam ondas sísmicas em sua análise.

Segundo BERNUCCI et al. (2008), há bastante diferença entre os valores numéricos de avaliação estrutural realizados utilizando-se cada um desses tipos de equipamentos. Todos os equipamentos devem ser constantemente calibrados por processos específicos e seguem rotinas de aplicação determinadas pelo tipo de carregamento.

2.2.1 Equipamentos de Carregamento Quase-Estático

Estes equipamentos medem a deflexão provocada pelo carregamento de rodas duplas de um veículo, que se desloca à baixa velocidade. Esta prática tem como finalidade evitar que ocorra a influência de forças inerciais (MEDINA et al., 1994).

ENSAIO DE PLACA

O ensaio de placa foi um dos primeiros métodos utilizados para medir as deformações recuperáveis no pavimento em função da variação das cargas aplicadas. Uma placa rígida com 76,2 cm de diâmetro é carregada através de um macaco hidráulico que, por sua vez, reage contra uma estrutura estacionária.

(28)

9

Trata-se de um ensaio limitado, considerando que os resultados obtidos através do carregamento estático (Figura 2.1) sobre o pavimento não espelha a realidade, uma vez que as rodas dos veículos em movimento produzem carregamento dinâmico.

Figura 2.1: Esquema do Ensaio de Placa (ALBERNAZ, 1997).

VIGA BENKELMAN (VB)

A necessidade de agilizar e reduzir os custos das avaliações de pavimentos através de provas de carga levou à substituição do moroso ensaio de placa por um procedimento simples e mais ágil, cujo carregamento é feito com os próprios pneus de um caminhão carregado, ao invés da placa circular (ALBERNAZ,1997).

A medição da deformabilidade do pavimento em provas de pneus de caminhões foi iniciada por volta de 1953, por ocasião da pista experimental da WASHO, EUA, com a criação pelo engenheiro norte-americano A. C. Benkelman de um equipamento muito simples (Figuras 2.2 e 2.3).

A Viga Benkelman consiste de um equipamento muito simples destinado a medir deflexões no pavimento. É constituída por uma viga delgada horizontal com articulação intermediária, apoiada sobre três pés, formando então dois braços cuja relação dos comprimentos é 2:1 ou 4:1. Necessita de um caminhão com eixo traseiro simples de roda dupla carregado com 8,2t para aplicar a carga sob a qual será medida a deformação elástica.

(29)

10

No Brasil, a utilização da viga Benkelman iniciou-se, nos anos 1960 com os engenheiros Nestor José Aratangy e Francisco Bolivar Lobo Carneiro.

Figura 2.2: Esquema da viga Benkelman (DNER-ME 24/94).

Figura 2.3: Esquema da Viga Benkelman para medição de deflexões de pavimentos em provas de carga de rodas duplas de caminhão (MEDINA E MOTTA, 2005).

As normas que regulamentam a utilização da viga Benkelman no Brasil são DNER-ME 24/94, DNER-PRO 175/94 e DNER-ME 061/94.

(30)

11

a. Aferição da viga conforme DNER-PRO 175/94;

b. Localização e marcação dos pontos do pavimento em que devem ser medidas as deflexões, localizados a uma distância prefixada da borda do revestimento, de acordo com a Tabela 2.1;

c. Um dos conjuntos de rodas duplas traseiras do caminhão deve ser centrado sobre o ponto selecionado na trilha externa, conforme indicado na Tabela 2.1. A carga de prova utilizada pelo caminhão é a carga sobre seu eixo traseiro de 8,2 tf;

d. A ponta de prova da Viga Benkelman deve ser colocada entre os pneus da roda dupla, coincidindo com o ponto selecionado. O perfeito posicionamento da ponta da viga, na vertical do eixo traseiro, deve ser assegurado por meio de um sistema de referência, relacionando a posição da viga à do caminhão. A trava da viga deve ser liberada;

e. Ligado o vibrador, faz-se a leitura inicial (𝐿0) quando o extensômetro indicar

movimento igual ou menor que 0,01mm/min, ou decorridos 3 minutos da ligação do vibrador;

f. O caminhão deve-se deslocar, lentamente, 10m para frente e conforme leitura inicial, deve-se fazer a leitura final (𝐿𝑓);

g. Desligado o vibrador, a parte móvel da viga deve ser travada sendo transportada para o novo ponto;

h. Para determinar o raio de curvatura da bacia de deformação, faz-se uma leitura adicional, para isso se desloca o eixo do caminhão 25 cm à frente, em relação à Lo e pode ser calculado pela seguinte fórmula:



0 25



2x 6250 D D = R  Onde,

(31)

12

D₀= deflexão real ou verdadeira, em centésimos de milímetros.

D₂₅ = deflexão a 25cm do ponto de prova, em centésimos de milímetros.

Existem outras fórmulas para cálculo do raio de curvatura e a interpretação da qualidade do pavimento sob o ponto de vista deste parâmetro, tal como a definição de um valor admissível, deve estar vinculada à expressão matemática usada nesta definição.

i. A deflexão do pavimento no ponto de prova é calculada por meio da fórmula:





b a x L L = D₀ ₀  _f Onde:

D₀ = deflexão real ou verdadeira, em centésimos de milímetros.

L₀ = leitura inicial, em centésimos de milímetros.

L_f = leitura final, em centésimos de milímetros.

a e b = dimensões da viga Benkelman.

Tabela 2.1: Distâncias de ensaio em relação à borda do revestimento (DNER-ME 24/94).

Dentre as principais dificuldades associadas à operação da viga Benkelman, podem-se citar (BORGES, 2001):

(32)

13

• Baixa repetibilidade dos testes, ou seja, dispersão elevada das leituras;

• Impossibilidade de assegurar que as bases de apoio da viga estejam fora da deformada;

• O sensor que mede a deflexão estacionária, não infere sensibilidade do veículo em movimento; e,

• Morosidade do teste.

VIGA BENKELMAN AUTOMATIZADA

Este equipamento foi desenvolvido para aumentar a precisão e a velocidade de medidas das deflexões, utilizando os mesmos princípios da viga Benkelman. Funciona instalada sob um veículo carregado e à medida que este se desloca, os dispositivos registram automaticamente as deflexões, a partir do ponto inicial do ensaio. As velocidades de operação variam, em função dos tipos de equipamentos, de 0,8 km/h no “Califórnia Traveling Deflectometer”, a 3km/h no deflectógrafo Lacroix (Figura 2.4 e Figura 2.5) e 18 km/h no Curvímetro no Lacroix CEBTP, (REIS, 2007).

Figura 2.4: Deflectógrafo Lacroix - veículo com os equipamentos e dispositivos (DNIT 162/2012 – PRO).

(33)

14

Figura 2.5: Deflectógrafo Lacroix – mecanismo sob o veículo (DNIT 162/2012 – PRO). No Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ foi desenvolvida uma viga Benkelman automatizada, em 2002, em que o micrômetro mecânico tradicional é substituído por um LVDT, o deslocamento do caminhão é medido com um odômetro conectado a um transmissor de rádio que envia o sinal a um microcomputador portátil o qual recebe também o sinal produzido pelo LVDT – (Figura 2.6). Os deslocamentos também se medem por transmissão de rádio.

Figura 2.6: Viga Benkelman automatizada de leitura eletrônica por LVDT no lugar do micrômetro: aparelhagem, viga e odômetro em posição de uso (MEDINA E MOTTA, 2005).

Segundo NÓBREGA (2003), as principais vantagens deste equipamento são:  A sensibilidade das medições é adequada, uma vez que a viga

Benkelman automatizada utiliza em geral sensores do tipo LVDT;  Obtenção mais precisa da bacia deflectométrica;

 Registro automático das deflexões e da distância radial em relação ao ponto de aplicação do carregamento.

(34)

15

2.2.2 Equipamentos de Carregamento Vibratório

São equipamentos que geram uma força senoidal (força dinâmica) superposta em um carregamento estático, também denominado de vibradores (Figura 2.7).

Figura 2.7: Gráfico típico da força dinâmica resultante em equipamentos de carregamento vibratório (LUIS, 2009).

Apresentam a vantagem de não utilizar um ponto de referência como acontece nos equipamentos estáticos. O Dynaflect e o Road Rater são os equipamentos mais utilizados para esta categoria.

DYNAFLECT

De acordo com a norma DNER-ME 39/94, o sistema é projetado para operar quando um reboque for tracionado por uma camioneta ou veículo similar. O reboque possui um mecanismo de suspensão, capaz de elevar ou abaixar as “rodas rígidas” que exercem sobre o pavimento um peso estático de 7120N. Uma força cíclica é resultante da componente vertical da aceleração produzida em um par de volantes, não balanceados, que giram em sentidos opostos, a uma velocidade de 480rpm. A força cíclica, com uma variação, ponta a ponta, de 4450N, é aplicada ao pavimento pelo par de “rodas rígidas”.

As deformações verticais são registradas mediante informações de cinco geofones instalados em uma barra perpendicular ao eixo do veículo, sendo um deles instalado no eixo das rodas de aplicação da carga e os outros na mesma direção, a cada 30cm de espaçamento. A barra de içamento permite a instalação dos geofones com outras distâncias entre eles, conforme as necessidades do ensaio. (Figuras 2.8 e 2.9).

(35)

16

Figura 2.8: Esquema representativo do Dynaflect (LUIS, 2009).

Figura 2.9: Equipamento Dynaflect (LUIS, 2009). ROAD RATER

O Road Rater (Figura 2.10) é um equipamento vibratório capaz de variar tanto a magnitude do carregamento quanto a sua frequência. A magnitude do carregamento estático é variada através da transferência da carga do reboque para uma placa de carga. Para gerar o carregamento dinâmico, a massa é hidraulicamente aumentada ou reduzida.

(36)

17

Quatro transdutores são utilizados para medição de deflexão no pavimento: um no centro da placa de carga e três localizados ao longo do sentido longitudinal da rodovia, distando cerca de 30 cm um do outro (HAAS et. al., 1994).

Figura 2.10: Ilustração do Road Rater (LUIS, 2009).

2.2.3 Equipamentos de Carregamento por Impulso

Segundo CARDOSO (1992) a necessidade de melhorar os métodos de avaliação não destrutiva de pavimentos promoveu o desenvolvimento de diferentes tipos de equipamentos para ensaios defletométricos visando: aumentar a acurácia das medidas; aumentar a produtividade em termos de número de ensaios por dia de trabalho; simular, de forma mais real possível, as condições de carregamento do tráfego (magnitude, forma e tempo equivalente de carregamento); simplificar a operação e interpretação dos resultados; e procurar reduzir o custo dos ensaios.

De acordo com MEDINA e MOTTA (2005), uma categoria de equipamento de medida de deflexão foi desenvolvida na década de 1980, como um resgate e uma melhoria do ensaio de placa tradicional: os equipamentos por impacto. Estes utilizam o carregamento dinâmico transiente em que um peso batente em queda choca-se contra uma placa circular inteiriça ou segmentada e se medem as deflexões segundo um alinhamento que passa pelo centro da placa. Utilizam-se sensores – geofones ou LVDTs – presos a uma barra transversal de suporte. Este equipamento se designa por FWD ou deflectômetro de impacto (Figura 2.11).

(37)

18

Figura 2.11: Exemplos de deflectômetro de impacto tipo FWD e esquema das medições de deformações elásticas (MEDINA E MOTTA, 2005).

Neste trabalho serão estudados equipamentos tipo FWD utilizados para controles deflectométricos no Brasil e por ser o objeto principal desta pesquisa resolveu-se dedicar um capítulo para este tipo de equipamento detalhando também os procedimentos de calibração dos sensores, repetibilidade e reprodutibilidade.

(38)

19

3 Falling Weight Deflectometer (FWD)

O Falling Weight Deflectometer (FWD) é um deflectômetro de impacto projetado para simular o efeito da passagem de uma carga de roda em movimento no pavimento. A medida de deflexão é obtida pela queda de um conjunto de massas, a partir de alturas pré-fixadas, sobre um sistema de amortecedores de borracha. Este sistema foi especialmente projetado para tornar o pulso de carga recebido pelo pavimento, o mais próximo possível de uma senóide. Igualando- se a energia potencial da massa, antes de sua queda, com o trabalho desenvolvido pelos amortecedores de borracha, depois da queda, pode-se conhecer a força de pico exercida sobre o pavimento (CARDOSO, 1995).

O impacto causado pela carga no pavimento (Figura 3.1) simula a passagem de uma carga de roda a uma velocidade entre 60 e 80km com uma duração de 25 a 33 milissegundos.

Figura 3.1: Deflectômetro de Impacto (DNIT, 2006)

Os deslocamentos recuperáveis gerados na superfície do pavimento (bacia de deflexões) são medidos por sensores instalados ao longo de uma barra metálica (Figura 3.2) e um na própria placa circular. Estes sensores podem ser sismômetros, que são

(39)

20

transdutores de deslocamento, geofones, que são transdutores de velocidade, ou acelerômetros (MACEDO E RODRIGUES, 2003).

Figura 3.2: Sensores de medida de deflexão de um FWD.

O veículo de teste do FWD conta com um computador que, além da distância percorrida mensurada por um odômetro de precisão, simultaneamente armazena as deflexões medidas, temperatura da superfície do revestimento, temperatura do ar, altura de queda, massa e rigidez do pavimento. (CARDOSO, 1995).

A força de pico aplicada ao pavimento, por meio da placa de carga pode ser calculada pela fórmula seguinte:

Mghk

F 2 (1)

Onde:

F = Força de pico

M = Massa do peso que cai g = Aceleração da gravidade h = Altura de queda

(40)

21

Deve-se distinguir o nível de carga nominal do nível de carga real. O nível de carga nominal é determinado através da expressão (1), e o nível de carga real é medido pela célula de carga sendo função da massa, da altura de queda, rigidez e temperatura do pavimento.

A introdução no Brasil de um deflectômetro FWD Dynatest foi em 1988, e foi determinante para o avanço das análises mecanísticas dos pavimentos em uso, por permitirem medidas automáticas, rápidas e precisas das bacias deflectométricas. Desde então dois modelos principais têm sido utilizados no país: Dynatest e Kuab.

De acordo com FONSECA (2013), até 2003, haviam nove equipamentos FWD disponíveis no Brasil. Entretanto, após 2005, com a contratação de várias empresas para realização de projetos do CREMA 1ª e 2ª ETAPAS, em especial após 2009, quando foram contratados mais de 40.000 quilômetros de projetos de rodovias do tipo CREMA 2ª ETAPA, várias empresas adquiriram equipamentos FWD, porque houve remuneração diferenciada nestes contratos baseada no prazo menor para realização dos levantamentos de campo. É possível que existam operando no país cerca de 30 equipamentos deste tipo atualmente.

Em 2010, a Norma DNIT 132/2010 - PRO foi preparada pelo Instituto de Pesquisas Rodoviárias e estabelece a sistemática a ser empregada na calibração e controle de deflectômetro do tipo “Falling Weight Deflectometer” (FWD). Foi elaborada tomando como base a norma AASHTO-R32-03 (2008/1): Standard recommended practice for calibrating the load cell and deflection sensor for a “Falling Weight Deflectometer”.

Segundo MACEDO E RODRIGUES (2003), pode-se citar como vantagens e limitações na utilização do FWD:

Vantagens

• As deflexões por ele produzidas são as que mais se aproximam das geradas por um caminhão em movimento obtidas por medidas a partir de acelerômetros instalados no pavimento.

(41)

22

• Permite avaliar a não linearidade dos materiais constituintes do pavimento, através da variação da carga aplicada.

• Apresentam acurácia e repetibilidade em qualquer tipo de estrutura de pavimento.

• Registro automático da temperatura (ambiente e revestimento) e da distância do ponto medido.

Limitações

• A presença de uma camada rígida no subleito pode alterar a bacia de deflexões, embora também possa influenciar os resultados de quaisquer outros ensaios não destrutivos de medida de deflexões.

• A aceleração produzida pela carga do FWD é maior que a de uma carga de roda em movimento, podendo a inércia da massa do pavimento desempenhar um papel importante para o FWD, sendo desprezível para uma roda em movimento embora aparentemente este fato não pareça influenciar a boa concordância das deflexões medidas.

• Necessidade de calibração frequente. • Custo de aquisição.

Deve-se ter uma atenção especial com a aferição dos equipamentos, principalmente com os sensores de carga e dos sismômetros / geofones.

De acordo com CLEMÉN (2010), a fim de melhorar a análise de medições, os equipamentos FWD mais modernos tem-se frequentemente o uso de até 18 geofones.

(42)

23

Figura 3.3: Posicionamento de 17 geofones no FWD (CLEMÉN, 2010).

Figura 3.4: Bacia de deflexão obtida por 17 geofones (CLEMÉN, 2010).

3.1 Fwd Dynatest

O FWD Dynatest foi o primeiro a chegar ao Brasil e trata-se um deflectômetro de impacto desenvolvido na Dinamarca e aperfeiçoado nos EUA. De acordo com a descrição de MACÊDO (1996), o aparelho é montado sobre rodas (trailer) rebocado por veículo devidamente equipado, de capacidade média de carga. O pulso de carga transiente é gerado pela queda de um conjunto de massas metálicas, sobre um sistema de amortecedores de borracha que transmite a carga ao pavimento através de uma placa

(43)

24

com 300 mm de diâmetro, apoiada sobre uma membrana de borracha. Também acompanha o aparelho uma placa com 450 mm de diâmetro. Ambas podem inclinar-se em até seis graus em relação a horizontal para facilitar o ajuste à superfície do pavimento. A força aplicada ao pavimento pode variar pela modificação da altura de queda ou pela alteração da configuração do conjunto de massas utilizado. A placa circular tem uma célula de carga que mede a carga do impacto proveniente da queda do conjunto de massas. Os deslocamentos gerados na superfície do pavimento (deflexões) são medidos por 7 geofones (com capacidade máxima de medição de 2 mm) instalados na placa de carga e ao longo de uma barra metálica de 2,25m de comprimento, abaixada automaticamente com a placa de carga. Nas Figuras 3.3, 3.4, 3.5 e 3.6 estão mostrados os elementos principais deste equipamento e a representação esquemática do funcionamento do mesmo.

Figura 3.5: Equipamento FWD em seu trailer sendo rebocado por um veículo de apoio onde fica o operador e o computador de controle do ensaio (MOTTA, 2013).

(44)

25

Figura 3.6: Placa de aplicação de carga e geofones de medida das deflexões (MOTTA, 2013).

Figura 3.7: Detalhes da placa e geofones – parte inferior do FWD na situação preparada para o ensaio (aplicação da carga) (MOTTA, 2013).

(45)

26

Figura 3.8: Detalhe da parte superior do FWD e do sistema de pesos para aplicação das cargas por impacto (MOTTA, 2013).

O equipamento permite a medida e o registro automático das bacias de deflexões geradas por diferentes níveis de cargas, temperatura do ar e da superfície do pavimento e as distâncias percorridas (Figura 3.7).

Figura 3.9: Gráfico da bacia de deflexão com FWD (MACÊDO, 1996).

O sistema Dynatest permite a aplicação de até cinco configurações de massa em combinação com até quatro alturas de queda. A combinação escolhida para o ensaio deverá atender aos tipos de eixo preponderantes na composição de cargas de tráfego que solicitam o pavimento em estudo.

(46)

27

O procedimento de ensaio segundo MOTTA (2013):

“1. Move-se o trailer para o local do ensaio, e posiciona-se o FWD na estação desejada, geralmente na trilha de roda externa;

2. Liga-se o microcomputador e o processador que ficam na cabine do veículo rebocador;

3. Seleciona-se a configuração de massas a ser utilizada na campanha de ensaios, fixando-a nos locais apropriados;

4. Aciona-se no microcomputador o programa que define o tipo de ensaio e comanda todas as operações, incluindo abaixamento da placa de carga e da barra de geofones, elevação dos pesos para altura de queda pré-determinada, liberação dos pesos para a queda e, finalmente a elevação da placa conjuntamente com a barra de sensores para o deslocamento do equipamento em direção ao próximo ponto de medida. A operação completa é controlada de dentro do veículo rebocador, o ensaio dura 45 segundos em média.

5. A cada golpe programado e aplicado, exibe-se em tela, na linha relativa à altura de queda, o pico de pressão na placa, a força correspondente e os picos de deflexão registrados em cada geofone. Concluída a sequência de golpes, a placa e os sensores são suspensos hidraulicamente e o sistema emite um sinal "beep" indicando que o trailer pode ser deslocado para a próxima estação de ensaio.”

3.2 FWD Kuab

Este equipamento é de fabricação sueca e utiliza princípio de operação semelhante ao FWD da Dynatest. É totalmente protegido por uma carcaça metálica montada sobre o trailer (Figura 3.8), com a finalidade de evitar o ataque de agentes agressivos ao maquinário (água, óleo, poeira, etc). Na parte inferior da cabine existem portas que se abrem automaticamente durante a realização do ensaio. No mercado inicialmente eram disponíveis duas versões deste equipamento: o modelo 8714 em que a carga aplicada pode variar de 7 a 65 kN, e o modelo 8833 na faixa de 14 a 150 kN (MOTTA, 2013).

(47)

28

Figura 3.10: FWD Modelo Kuab (MOTTA, 2013).

As principais diferenças entre o equipamento do modelo Dynatest e o modelo Kuab são em relação à placa de aplicação do carregamento e o número de pesos usados para simular a ação do tráfego. A distribuição do impacto no modelo Kuab é feito por repique. A força impulsiva é gerada pela queda de dois pesos: um intermediário e um principal situado dentro do primeiro, com diferentes alturas de queda (Figura 3.9). Estudos de Bentsen et al. (1989) mostram que o tempo de duração do pulso de carga obtido com o FWD KUAB é duas vezes maior que os correspondentes aos outros FWDs; atribuindo este fato ao sistema de carregamento (2 massas) e à rigidez da membrana de borracha existente sob a placa de carga.

(48)

29

Figura 3.11: Diagrama esquemático KUAB FWD (LUIS, 2009).

Em geral, as deflexões são obtidas por sete acelerômetros (Figura 3.10 e Figura 3.11), mas podem ser utilizados até nove, sendo um deles instalado na placa de carga e os restantes montados a distâncias variáveis numa barra com 1,80m de comprimento. A capacidade máxima de medição era originalmente 5mm, no entanto estudos posteriores mostraram que para melhorar a precisão de medidas de deflexão menores que são mais usuais que deflexões muito elevadas seria necessário reduzir a faixa de medição dos sensores para 2 mm (CORVETTI et al., 1989).

(49)

30

Figura 3.13: Visão global dos sistemas de aplicação da carga (placa) e de leitura das deflexões na posição de operação (MOTTA, 2013).

Os equipamentos de carregamento por impulso Dynatest e Kuab são os mais utilizados no Brasil pelas empresas de avaliações técnicas e engenharia consultiva na área de pavimentação.

3.3 Fatores que Influenciam os Valores de Deflexão

Após as variáveis serem selecionadas, é necessário realizar a análise da estrutura para obter os esforços internos (momento fletor e esforço cortante) em diferentes condições de carregamento. Tais esforços serão utilizados no dimensionamento da viga e na verificação do Estado Limite Último e do Estado Limites de Serviço.

A importância do conhecimento dos fatores que influenciam nas respostas deflectométricas do pavimento que são os seguintes:

3.3.1 Efeitos Sazonais de Umidade

Durante a estação chuvosa o teor de umidade do subleito pode aumentar, diminuindo assim sua capacidade de suporte. Como esses períodos variam ao longo do ano, o valor da deflexão medida no pavimento não será constante, sendo dependente da época em que foram realizados os levantamentos.

(50)

31

Uma dúvida que imperava desde a década de 60 na área de pavimentação era a seguinte: Qual a época do ano mais favorável às medições de deflexões no pavimento, sendo seus valores função das condições meteorológicas? Já naquela época, o meio técnico, de maneira geral, estava de acordo que a época mais adequada para realização de tais medições era após a estação chuvosa, em que o subleito apresentava o pior desempenho em relação a sua capacidade de suporte. Entretanto, se esta linha de raciocínio fosse empregada como regra, o uso da viga Benkelman ficaria restrito a um pequeno período de tempo durante o ano, não sendo utilizado nas demais épocas (NÓBREGA, 2003).

Pesquisas posteriores realizadas no Brasil, tais como a pesquisa ICR e PAEP, mostraram que esta sazonalidade é baixa, além da ausência do ciclo gelo degelo (MEDINA, 1997).

Nestas pesquisas chegou-se a variações sazonais da ordem de 20 a 40% entre a estação seca e a estação chuvosa. No caso dos EUA esta variação pode chegar a 400%, ou seja, cinco vezes entre a medida do inverno e da primavera (NÓBREGA, 2003).

De acordo com o DNER-PRO 10 (1979), a época do ano mais indicada a realização de levantamentos deflectométricos é imediatamente após a estação chuvosa, onde o subleito se encontra na condição mais desfavorável.

3.3.2 Temperatura

A temperatura é um dos fatores mais importantes nas medidas de deflexão, uma vez que afeta diretamente o comportamento do concreto asfáltico devido à variação da viscosidade do ligante betuminoso.

Segundo MOTTA & MEDINA (1986), as misturas asfálticas têm um comportamento visco-elastoplástico, com sua rigidez sendo fortemente influenciada pela temperatura; quando esta diminui, o ligante betuminoso torna-se mais viscoso e o revestimento, mais rígido, aumentando, em consequência, a capacidade de distribuição de carga na estrutura do pavimento, diminuindo a magnitude das deflexões. Nos pavimentos flexíveis, a temperatura afeta, principalmente, a deflexão sob o ponto de aplicação da carga (D0) devido ao comportamento reológico da camada asfáltica. Em

(51)

32

pavimentos flexíveis, o efeito da temperatura nas deflexões é tanto maior quanto mais espessa for a camada elástica. Por isso, é fundamental a medida das temperaturas do ar e do pavimento no exato momento da realização dos ensaios.

3.3.3 Carregamento

Segundo ROCHA FILHO (1996), nas avaliações estruturais de pavimento a magnitude das deflexões é extremamente afetada pelo modo de carregamento utilizado. A influência do modo de carregamento sobre as deflexões pode ser melhor evidenciada quando é analisado o perfil de deflexões obtidas pelo emprego de equipamentos que utilizam modos diferentes de aplicação de carregamento.

3.3.4 Posicionamento dos sensores

As deflexões são medidas em 0,01mm. Pequenos erros nas leituras deste parâmetro podem gerar efeitos profundos nos resultados de uma avaliação estrutural. Neste sentido, torna-se de extrema importância se saber a que distância do centro da área carregada estão posicionados os sensores ao longo da bacia de deflexões (NÓBREGA, 2003).

ROCHA FILHO E RODRIGUES (1998) observaram que o posicionamento dos sensores tem grande influência na obtenção dos módulos de elasticidade calculados por retroanálise. Os sensores registram os deslocamentos verticais referentes à contribuição das camadas que estão sob o estado de tensões provocado pelo carregamento aplicado, ao longo da vertical que passa pelo sensor. Assim, a escolha mais adequada para as distâncias entre sensores deve ser função da rigidez e das espessuras das camadas do pavimento que será avaliado.

Segundo PINTO e DOMINGUES (2001), geralmente são empregados os seguintes posicionamentos dos sensores:

 Para pavimentos flexíveis: 0, 20, 30, 45, 65, 90 e 120cm;  Para pavimentos rígidos: 0, 20, 30, 80, 100, 160 e 200cm.

(52)

33

3.4 Calibração do Equipamento FWD

O equipamento é considerado calibrado quando sob teste é comparado com leituras de referência e possuem leituras dentro de limites especificados. Se as leituras variarem além dos valores permitidos, deve-se identificar a origem do problema e realizar as medidas corretivas pertinentes. Após correção, o equipamento deve novamente ser submetido à comparação com a leitura de referência e este procedimento deve ser tomado até que os resultados fiquem dentro dos limites especificados.

3.4.1 História

Nos primeiros anos de utilização do FWD não era dada muita importância à calibração dos equipamentos. Os principais fabricantes tinham seus próprios métodos de calibração que satisfaziam a necessidade de seus usuários naquele momento. Porém, devido ao emprego de vários modelos de FWD começaram a surgir dados inconsistentes nos resultados dos levantamentos.

De acordo com CROW (2011), no final dos anos oitenta quando elementos básicos do FWD estavam sendo desenvolvidos, os fabricantes ainda não estavam convencidos sobre sua precisão o que gerou esforços para o desenvolvimento de um teste de calibração do FWD. No entanto, os clientes não se mostraram interessados na qualidade de calibração do equipamento. Por esse motivo o desenvolvimento dos processos de calibração levou de 10 a 15 anos.

Devido ao uso e à popularidade do FWD nos dias de hoje, organizações, como “US Strategic Highway Research Program (SHRP)” e “Technology Platform for Infrastructure, Traffic, Transport and Public Space (CROW)” iniciaram vários estudos para o desenvolvimento de procedimentos adequados de calibração de FWD.

O ganho de experiência nos procedimentos de calibração do equipamento na Europa revelou que o desenvolvimento de um guia de calibração para cada país poderia levar a procedimentos muito diferentes uns dos outros. Para garantir um procedimento aceitável para a Europa, foi realizado uma coletânea e a avaliação de todos os procedimentos existentes para o desenvolvimento, de um conjunto de protocolos que

(53)

34

seriam transformados em normas pela “Technology Platform for Infrastructure, Traffic, Transport and Public Space (CROW)”.

A primeira versão do guia de calibração Europeu do equipamento FWD foi emitido no relatório final da COST336 “European Cooperation in the Field of Scientific and Technical Research” em 1998. O trabalho foi continuado no projeto “SpecifiQ” (Specifications for a harmonised European calibration station for improved FWD measurement of road quality) financiado pela Comissão Européia.

Entre 2004 e 2009, nos Estados Unidos pela Federal Highway Administration (FHWA), foi realizado um estudo com o objetivo de agilizar o processo de calibração proposto pelo SHRP, sem reduzir a exatidão e precisão dos resultados. O estudo teve a seguinte proposta (CROW 2011):

• Desenvolver um protocolo de calibração universal; • Acelerar o processo de calibração;

• Desenvolver novos equipamentos; e

• Desenvolver um software baseado na plataforma Windows para executar as atividades de calibração do FWD.

Todas as metas e tarefas foram realizadas.

Como a versão europeia desenvolvida em 1998 continha bastante elementos do procedimento de calibração SHRP, os novos procedimentos desenvolvidos nos Estados Unidos foram revisados para a implementação de um novo Guia de Calibração CROW.

3.4.2 Procedimento de Calibração SHRP

De acordo com ROCHA et al. (2001), os protocolos SHRP, consistem em dois tipos de calibrações: 1) uma calibração de referência e 2) uma calibração relativa. Na calibração SHRP referência, deflexões medidas com um FWD são comparadas com as medidas de um sensor de referência que cumpra os critérios estabelecidos pelo National Institute os Standards and Technology. Por outro lado, a calibração relativa garante que

(54)

35

os sensores do FWD proporcionem resultados consistentes quando submetidos à um determinado impacto.

3.4.2.1 Calibração de Referência

De acordo com ROCHA et al. (2001), a calibração relativa garante que todas as leituras de deflexão dos geofones do FWD estejam consistentes. Mas isso não garante que as deformações estejam precisas. A calibração de referência é realizada para determinar a precisão dos sensores. O sistema de calibração de referência SHRP usa um Liner Variable Differential Transformer (LVDT) como o dispositivo de medição de deflexão de referência. O LVDT e um geofone do FWD são instalados em suportes especiais de modo que a ponta do núcleo magnetizado do LVDT esteja sempre em contato com a parte superior do suporte do geofone. Durante o processo de calibração, cada geofone é retirado do suporte do FWD e colocado no suporte fixo, sob o feixe de referência de calibração. Os dados de calibração são registrados pelo geofone a dois níveis de deflexão. Dez conjuntos de dados de deflexão são coletados para cada nível de deflexão. Os fatores de calibração são então calculados para cada geofone.

A célula de carga é calibrada utilizando uma célula de carga de referência (Figura 3.14). A célula de carga de referência é constituída por uma caixa de alumínio, em 11,8pol no diâmetro e 3,25pol de altura, com quatro ligações de medição espaçadas igualmente em um círculo de 7,5pol. Uma folha de neoprene com nervuras é colada na parte inferior da célula de carga de referência para garantir uma pressão uniforme sobre a superfície do pavimento. Para cada FWD, a calibração da célula de carga é realizada em quatro níveis de carga, com dez ensaios a cada nível.

Este método de calibração tem duas desvantagens. Em primeiro lugar, o geofone é retirado do suporte do FWD e colocados numa estrutura rígida. Seria possível para o geofone estar funcionando corretamente, enquanto o mecanismo de suporte está desgastada. Em situação como esta, a calibração do geofone será precisa, mas os resultados obtidos a partir do sistema FWD podem não ser precisos. Em segundo lugar, a precisão do sistema é determinado em 0,381mm e 0,0508mm. Desvios medidos no campo pode ser tão alta como 2,54mm. Por isso, os problemas em desvios superiores não pode ser identificado com este método de calibração.