Relatório Final de Pesquisa Métodos de Dimensionamento de Pavimentos – Metodologias e seus Impactos nos Projetos de Pavimentos Novos e Restaurações Cliente: Concessionária da Rodovia Osório-Porto Alegre – CONCEPA Documento N° 09-0007 Dezembro de 2009 Relatório final preparado por Prime Engenharia e Consultoria LTDA. Rua Fernando Machado 805/103 – Porto Alegre/RS CNPJ 10.446.085/0001-90 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Preparado por: Lélio Antônio Teixeira Brito & Ângela Gaio Graeff A Prime Engenharia considera o conteúdo deste relatório correto até a data de sua edição. Assim, todo e qualquer tópico abordado que seja dependente de normatização e/ou legislação deve sempre ser verificado para a versão mais atual dos mesmos quando de consultas futuras a este relatório. Fatores como preço, custo, taxas, composições e outras variáveis regulatórias utilizados neste documento também devem ser consideradas como referência-base a data de sua edição. Não se considera que este relatório seja exaustivo a todos os detalhes técnicos do conteúdo tratado, da mesma forma que não cobre todos os produtos e especificações disponíveis no mercado nacional e/ou internacional. Apesar de um cauteloso trabalho para certificar-se da precisão no assunto tratado, a Prime Engenharia não pode aceitar responsabilidade ou ser julgada por perdas ou danos causados pela utilização das informações contidas neste documento. [email protected] 2 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 ÍNDICE 1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 6 1.1 PANORAMA DAS RODOVIAS NACIONAIS...................................................................... 6 1.2 O PROJETO DE PAVIMENTOS ........................................................................................ 7 1.3 OBJETIVOS DA PESQUISA .............................................................................................. 9 1.4 ESTRUTURADO RELATÓRIO .......................................................................................... 9 2 PROJETO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS..................................................................... 11 2.1 METODOLOGIAS DE PROJETO .................................................................................... 12 2.1.1 Projetos Empíricos ................................................................................................... 13 2.1.2 Projetos Mecanístico-Empíricos .............................................................................. 16 2.1.2.1 Sistemática de um Projeto Mecanístico de Pavimentos ....................................... 17 2.1.2.2 O Conceito de Confiabilidade ................................................................................ 20 3 MÉTODOS INTERNACIONAIS PARA PROJETO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS ............... 23 3.1 MÉTODO AUSTRALIANO ............................................................................................. 23 3.2 INSTITUTO DO ASFALTO - EUA.................................................................................... 25 3.3 MÉTODO INGLÊS – HIGHWAYS AGENCY..................................................................... 26 3.4 MÉTODO DO GUIA DA AASHTO .................................................................................. 27 3.5 O GUIA DA AASHTO 2002 ........................................................................................... 29 4 MÉTODOS NACIONAIS PARA PROJETO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS ........................ 31 4.1 MÉTODO DO CBR (DNER) ........................................................................................... 31 4.2 MÉTODO DA RESILIÊNCIA - TECNAPAV....................................................................... 33 4.3 PROCEDIMENTO DNER /DNIT ..................................................................................... 35 4.3.1 Procedimento Normativo PRO10/79 ....................................................................... 35 4.3.2 Procedimento Normativo PRO11/79 ....................................................................... 36 4.3.3 Procedimento Normativo PRO159/85 ..................................................................... 37 4.4 MOTTA 1991 ............................................................................................................... 38 5 O USO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS .......................................................................... 40 [email protected] 3 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 5.1 FATOS HISTÓRICOS SOBRE O PAVIMENTO RÍGIDO .................................................... 41 5.2 PRINCIPAIS TIPOS DE PAVIMENTOS RÍGIDOS ............................................................. 42 5.3 TIPOS DE JUNTAS EM PAVIMENTOS DE CONCRETO .................................................. 45 6 PROJETO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS ...................................................................... 47 6.1 MÉTODO PIONEIRO DE WESTERGAARD (1926).......................................................... 47 6.2 ÁBACOS DE PICKETT E RAY (1951) .............................................................................. 49 6.3 MÉTODO DA PCA (1966) ............................................................................................. 52 6.4 MÉTODO DA PCA (1984) ............................................................................................. 53 6.5 GUIA DA AASHTO (1993) E SUPLEMENTO (1998)....................................................... 54 6.6 O GUIA DA AASHTO 2002 ........................................................................................... 57 6.7 MANUAL DE PAVIMENTOS RÍGIDOS DO DNIT (2005) ................................................ 58 6.7.1 Pavimentos de Concreto Simples ............................................................................ 58 6.7.2 Pavimentos de Concreto Estruturalmente Armados ............................................... 59 6.7.3 Whitetopping ........................................................................................................... 59 6.7.4 Sobre-laje em obras-de-arte .................................................................................... 60 6.7.5 Pavimentos com peças pré-moldadas de concreto................................................. 61 6.8 MÉTODO INGLÊS – HIGHWAYS AGENCY (2006) ......................................................... 61 7 NOVAS TÉCNICAS DE PAVIMENTOS RÍGIDOS ......................................................... 65 7.1 PAVIMENTOS DE CONCRETO REFORÇADOS COM FIBRAS DE AÇO ............................ 65 7.2 PAVIMENTOS DE CONCRETO COMPACTADO COM ROLO .......................................... 66 7.3 PAVIMENTOS DE CONCRETO COMPACTADO COM ROLO COM ADIÇÃO DE FIBRAS DE AÇO RECICLADAS ................................................................................................................. 68 7.4 PAVIMENTOS DE CONCRETO ULTRA-FLEXÍVEL COM ADIÇÃO DE FIBRAS FIBRILADAS DE POLIPROPILENO.............................................................................................................. 69 7.5 PAVIMENTOS DE CONCRETO ULTRA-DURÁVEIS......................................................... 71 8 ANÁLISE DO DIMENSIONAMENTO DE UMA ESTRUTURA PADRÃO.......................... 72 8.1 DIMENSIONAMENTO COM CONCRETO CONVENCIONAL .......................................... 72 8.1.1 Método da PCA ........................................................................................................ 73 8.1.2 Método Inglês – Highways Agency .......................................................................... 74 8.1.3 Método da AASHTO ................................................................................................. 74 8.2 DIMENSIOAMENTO COM USO DE CONCRETOS ESPECIAIS ........................................ 75 [email protected] 4 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 8.3 COMPATIBILIDADE DOS MÉTODOS TRADICIONAIS NO EMPREGO DE NOVOS MATERIAIS ........................................................................................................................... 77 9 SOFTWARES PARA PROJETO DE PAVIMENTOS NOVOS E RESTAURAÇÕES ............... 79 9.1 PROGRAMA ELSYM5 – ELASTIC LAYERED SYSTEM ..................................................... 79 9.2 PROGRAMA EVERSERIES PAVEMENT ANALYSES PROGRAMS .................................... 80 9.2.1 Programa EVERCALC – Pavement Backcalculation .................................................. 81 9.2.2 Programa EVERSTRESS – Layered Elastic Analysis ................................................... 81 9.2.3 Programa EVERPAVE – Pavement Overlay Design .................................................. 82 9.3 BISAR - SHELL .............................................................................................................. 82 9.4 M-E PDG - MECHANISTIC-EMPIRICAL PAVEMENT DESIGN GUIDE ............................. 82 9.5 SELEÇÃO DO PROGRAMA ........................................................................................... 84 10 COMPARAÇÃO DE UM PROJETO DE PAVIMENTO TIPO DE RODOVIAS DO RS ........ 85 11 CONCLUSÕES ...................................................................................................... 91 [email protected] 5 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 1 INTRODUÇÃO 1.1 PANORAMA DAS RODOVIAS NACIONAIS Os métodos de dimensionamento de pavimentos baseiam-se em metodologias que vêm se desenvolvendo rapidamente há algumas décadas. No passado, o dimensionamento era feito de uma forma totalmente empírica, fundamentada no conhecimento prático que tinha por base experiências bem ou mal sucedidas para balizar as novas práticas. A abertura de caminhos pavimentados data do século I AC, quando o império romano pavimentava suas ruas e estradas para mover seus exércitos, facilitar a troca de mercadorias e viabilizar a comunicação. No auge da supremacia romana, o sistema rodoviário do império já havia se expandido por cerca de 400 mil quilômetros, dos quais 80,5 mil quilômetros eram constituídos de rodovias pavimentadas. Os mesmos eram construídos com tecnologia rudimentar e o seu projeto era baseado em experiências anteriores. No Brasil, a extensão total de pavimentos, de acordo com o anuário estatístico da extinta Empresa Brasileira de Planejamento de Transportes – GEIPOT, de 2005, mostra o país com um total de 1,5 milhões de quilômetros de rodovias não pavimentadas e aproximadamente 165 mil quilômetros de rodovias pavimentas. A Figura 1 mostra esta distribuição para cada região do país. Não-pavimentada Total de Rodovias Pavimentadas (10%) Pavimentada 600 Extensão em milhares de km 500 400 300 200 Total de Rodovias Nãopavimentadas (90%) 100 0 Norte Nordeste Sudeste Sul Centro-oeste Figura 1 – Panorama das rodovias brasileiras por região. Percebe-se que apenas uma fração de um décimo do total da malha nacional é pavimentada. Isto é “surpreendente” em se tratando de um país tão fortemente dependente do modal rodoviário para o transporte de mercadorias e passageiros, acesso básico à educação e saúde de comunidades rurais, atividades de laser e interação social. O que deixa este panorama ainda mais preocupante é o fato desta parcela de rodovias pavimentadas apresentarem-se em mau estado de conservação: a pesquisa da CNT de [email protected] 6 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 2007 aponta para um total de 54,5% da malha investigada (47.777 km) em estado regular, ruim ou péssimo de conservação. As rodovias devem ser entendidas prioritariamente como patrimônio de um país. E, como para todo patrimônio, é necessário que haja um planejamento que considere sua manutenção e, neste caso específico, também sua expansão, já que a demanda por este tipo de infra-instrutora de transportes é sempre crescente (Pesquisa CNT 2007). A Figura 2 mostra a distribuição da classificação do estado geral das rodovias. Figura 2 – Distribuição da classificação do estado geral das rodovias brasileiras segundo a pesquisa CNT 2007. Num país onde o aporte de capital necessário1 para a manutenção das rodovias cujo estado atual exige sua total reconstrução é estimado em R$5,2 bilhões de reais e da mesma forma, os investimentos para aqueles que necessitam restauração são previstos em R$17,1 bilhões de reais, é evidente a importância que deve ser dada à metodologia de projeto destes pavimentos. Salienta-se que deste total de mais de R$22 bilhões de reais referem-se tão somente à manutenção das rodovias pavimentadas que, conforme visto anteriormente, representam um valor global de apenas 10% da malha rodoviária nacional. Se desta forma tomássemos por valor base o preço de reconstrução considerado pela pesquisa CNT 2007, seria necessário de mais de R$1 trilhão de reais para pavimentar todas as rodovias no país, ainda que com revestimento primário. 1.2 O PROJETO DE PAVIMENTOS Com a evolução da mecânica dos materiais, sobretudo ocorrida no século XX, passou-se de uma aproximação totalmente empírica para uma aproximação empírico-analítica dos pavimentos rodoviários. Estes visavam o entendimento do comportamento dos materiais de pavimentação em função de ensaios índice, o mais conhecido sendo o Índice de Suporte Califórnia (ISC), também conhecido pela denominação inglesa CBR (Califórnia Bearing Ratio). 1 Valores baseados na pesquisa CNT – Edição 2007. [email protected] 7 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Neste contexto, diversos países empenharam-se no desenvolvimento de metodologias para projeto de pavimentos seguindo variadas lógicas em variados graus de complexidade. Campanhas de monitoramento de rodovias em serviço formaram, posteriormente, a base para alguns dos mais conhecidos métodos de projeto de pavimentos, introduzindo conceitos de serventia das rodovias e de comportamento mecânico dos materiais. Somente na década de 90 do século passado que se passou a introduzir o conceito hoje conhecido como projeto de pavimentos mecanístico-empírico (ME), o qual analisa o comportamento mecânico dos materiais para descrever o seu comportamento nas análises de projeto. No entanto, ainda há um grande número de países que utilizam métodos puramente empíricos, empírico-analíticos ou catálogos de dimensionamento para o projeto de pavimentos. O projeto de um pavimento envolve duas fases distintas, que são inter-relacionadas: a fase do projeto estrutural, também chamada de "dimensionamento" e a fase do projeto da mistura, ou das misturas, e que constitui o que se chama de “dosagem”. O objeto de discussão desta proposta de pesquisa está enfocado na primeira fase. O dimensionamento de pavimentos deve considerar e se basear na análise dos solos e materiais naturais disponíveis, seu comportamento individual e em misturas, sob a ação dos vários carregamentos e sob a influência das mais variadas condições climáticas e ambientais. Enquanto os projetos puramente empíricos são notavelmente os mais simples e não são capazes de antecipar o comportamento de um pavimento frente a um cenário ainda não testado, os projetos empírico-analíticos permitem aos projetistas a extrapolação de resultados para novos cenários. No entanto, o resultado da extrapolação realizada é normalmente baseado em um grande número de hipóteses que podem ou não vir a ser verificadas. Os projetos mecanístico-empíricos, por sua vez, visam o estabelecimento do comportamento dos materiais de uma forma constitutiva (habilidade de descrever o comportamento do material através de modelos teóricos da mecânica dos materiais) e se utilizam de calibrações para aproximação de modelos teóricos à pratica. No entanto, estes projetos são ainda muito incipientes e pouco explorados, dado sua grande complexidade e necessidade de grandes aportes financeiros para a calibração destes modelos. Face a pouca confiabilidade dos métodos de projeto empírico ou empírico-analítico e das dificuldades impostas pela complexidade dos projetos ME, os projetos de pavimento acabam por ser uma mescla entre os métodos. Ou seja, os projetistas usam de princípios mecanísticos para realização do projeto, mas ainda baseado numa vasta gama de considerações empíricas ou empírico-analíticas. Inúmeros métodos para projeto de pavimentos são, portanto, atualmente empregados no Brasil. Pela escassez de normas brasileiras atuais que contemplem a evolução na mecânica dos pavimentos, projetistas e órgãos de pesquisa estabelecem suas próprias diretrizes, levando a uma falta de uniformização entre os projetos realizados. Cada projeto faz considerações independentes sobre aspectos como: fatores de veículo, [email protected] 8 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 caracterização de materiais, condicionantes climáticas, composição de tráfego, entre outros. Fica evidente, assim, a importância de uma análise cautelosa sobre as várias metodologias de projeto de pavimento existentes. É importante que tanto as metodologias mais antigas, mas ainda em vigor no país, quanto às metodologias mais recentes, sejam colocadas lado a lado para um comparativo entre o nível de detalhamento e resultado que cada uma fornece, permitindo uma análise do impacto das mesmas em projetos de pavimentos rodoviários novos e em restaurações. 1.3 OBJETIVOS DA PESQUISA Esta proposta de pesquisa tem por principal objetivo a exploração dos vários métodos para projeto de pavimentos rodoviários flexíveis. A ênfase será dada na prospecção de metodologias novas, suas vantagens e impactos no projeto de pavimentos novos e restaurações, listando suas principais características, vantagens e desvantagens. Será realizada, ainda, uma busca por métodos para dimensionamento de pavimentos rígidos, dissertando sobre as diversas técnicas existentes, visando, sobretudo, a busca de novas tecnologias do uso de concreto na pavimentação rodoviária, descrevendo seus métodos de dimensionamento e aplicações, quando existentes. Os objetivos específicos a ser atendidos pela pesquisa são: 1. Contribuir para um melhor entendimento dos métodos analíticos utilizados no dimensionamento de pavimentos flexíveis da atualidade, investigando procedimentos nacionais e internacionais. 2. Investigar os métodos existentes para dimensionamento de pavimentos rígidos, assim como técnicas alternativas à pavimentação rígida convencional. 3. Comparar o impacto das várias metodologias de dimensionamento na eficiência dos pavimentos e na sua vida útil. 4. Sugerir os cenários de aplicabilidade dos vários métodos investigados e suas restrições para emprego no âmbito nacional. 1.4 ESTRUTURADO RELATÓRIO Este relatório apresenta no Capítulo 1 uma introdução ao projeto no qual está inserido, mostrando a sua importância e descrevendo seus objetivos. O Capítulo 2 faz um apanhado sobre as metodologias utilizadas para o dimensionamento de pavimentos flexíveis, suas variantes e definições. No Capítulo 3 é apresentado os métodos e normas internacionais existentes para o dimensionamento dos referidos pavimentos. São registrados os métodos de maior relevância, cuja aplicabilidade seja relevante para o projeto em questão, seja pela sua aplicabilidade ou, ainda, contribuição às considerações propostas pela pesquisa. [email protected] 9 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Já os métodos nacionais, são resumidos no Capítulo 4. Os métodos e normas mais importantes estão registrados e são comentados sobre sua relevância e grau de complexidade. O Capítulo 5 faz uma explicação dos principais métodos de pavimentos de concreto, além de mostrar os principais fatos históricos sobre o surgimento da utilização de pavimentos de concreto. O Capítulo 6 explica os principais métodos de dimensionamento para pavimentos de concreto, desde as equações pioneiras de Westergaard até os métodos mais recentes. O Capítulo 7, por sua vez, mostra as novas técnicas para pavimentos de concreto, explicando-se as principais vantagens e desvantagens de cada uma das técnicas. O Capítulo 8 mostra um exemplo de dimensionamento utilizando três métodos descritos neste relatório, considerando o uso de concreto convencional e as novas técnicas para pavimentos de concreto, explicando a incompatibilidade dos métodos de dimensionamento para com estas novas técnicas, explicando o motivo gerador desta falta de compatibilidade. No Capítulo 9, são retomados os pavimentos flexíveis, com uma sinopse de softwares disponíveis para o projeto de pavimentos novos e restaurações. Lá são contemplados algumas de suas características principais, e, um pouco mais em minúcia, detalhes sobre o Guia da AASHTO 2003. Para que se ilustre a forma de aplicação e o tipo de análise a ser executado, é contemplado no Capítulo 10 um comparativo de um projeto de pavimento tipo de rodovias do estado do Rio Grande do Sul, através do uso de ferramentas nacionais e internacionais. Para o último, é utilizado o software preconizado pelo Guia da AASHTO 2003 - MEPDG. Por fim, o Capítulo 11 descreve os principais resultados obtidos na pesquisa, identificando os pontos relevantes observados durante o curso do projeto. [email protected] 10 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 2 PROJETO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS A introdução de materiais asfálticos data do início do século XX, com suas primeiras aplicações em meados dos anos 20 e 30. Entre as principais vantagens que propulsionaram sua disseminação, pode-se citar a impermeabilização das camadas de fundação, boa resistência às cargas do tráfego, grande velocidade de execução, entre outros. O dimensionamento destes pavimentos tem como objetivo calcular e/ou verificar as espessuras das camadas e compatibilizar os materiais de forma que a vida útil do mesmo corresponda a um certo número de solicitações de carga previstas em projeto. No passado, quando não se utilizavam métodos de dimensionamento, empregavam-se as mesmas espessuras de pavimento independente do solo de fundação, clima ou tráfego. Através de observações dos pavimentos executados, percebeu-se que alguns trechos tinham comportamento melhores do que outros. Após várias discussões e análises destas primeiras investigações, conclui-se que era necessária a utilização de um método racional de dimensionamento de pavimentos flexíveis, de tal forma que o mesmo fornecesse uma espessura de pavimento compatível com o comportamento do solo de fundação e também do tráfego a que estaria sujeito. A partir de então, órgãos rodoviários em todo o mundo começaram a utilizar métodos de dimensionamento de pavimentos, fossem eles baseados em experiências prévias, mas com conceitos racionais de projeto – os chamados métodos empíricos –, através da elaboração de catálogos, ou ainda, posteriormente, através de análises mecanísticas que levam em consideração a modelagem do comportamento de cada um dos materiais constituintes. As diferentes metodologias utilizadas para o projeto de pavimentos flexíveis podem ser assim definidas: Por tradição Puramente empírica Analítica Empírico-mecanística Mecanística Os métodos que se utilizam de catálogos podem ser normalmente classificados como puramente empíricos na sua vasta maioria. Muitos dos métodos de catálogos usam a performance de rodovias já construídas para interpolar e extrapolar a previsão do comportamento de novos projetos, partindo de premissas a respeito do clima, tráfego, entre outros. O propósito de qualquer uma das metodologias citadas é a de projetar um pavimento que resista ao tráfego de projeto. A abrangência do termo resistir é peculiar a cada metodologia. Entende-se por resistir, a capacidade do pavimento de sustentar as cargas provenientes do tráfego sem alterar sua capacidade estrutural e de serventia, lembrando que ambas estão diretamente interligadas. Nos procedimentos de dimensionamento mais [email protected] 11 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 atuais, leva-se em conta o máximo afundamento de trilha de roda (ATR) admissível ao fim da vida de projeto, assim como irregularidade longitudinal, deflexão da camada de revestimento, trincamento por fadiga e trincamento térmico. Pode-se ainda levar em conta fatores como desagregação, rugosidade, atrito, entre outros. 2.1 METODOLOGIAS DE PROJETO Conforme discutido, nota-se uma tendência evidente da evolução dos projetos de pavimentos no mundo. De sistemas mais rudimentares como o romano, migramos para projetos empíricos baseados em observações aos projetos empírico-mecanísticos. Em uma conferência realizada no ano de 2008, o Professor Stephen Brown da Universidade de Nottingham, ilustra através da Figura 1 o estágio atual em que o projeto de pavimentos se encontra no mundo. Figura 1 – Conceitos de projetos de pavimentos e seu estágio atual (Prof. Stephen Brown, 2008) Não é surpreendente que sejamos ainda vinculados com a prática atual no estágio empírico, uma vez que a vasta maioria dos países retém pouca tecnologia de pavimentação e, aqueles que a tem, ainda lutam para validar os modelos mecanísticos e conseguir de uma forma eficiente inseri-los no contexto da prática rodoviária com sucesso. Países com o Reino Unido, ainda que surpreendente, mantém metodologias empíricas de dimensionamento com algumas variantes mecanísticas de análise. Isto se deve principalmente devido à dificuldade dos órgãos rodoviários federais de aceitarem as novas modelagens existentes face à complexidade envolvida nestes procedimentos. O chamado estado-da-arte do em projeto de pavimentos está no conhecido procedimento mecanístico-empírico, atualmente muito vinculado ao renomado Guia da AASHTO 2002, que apenas recentemente, em 2008, passou à sua fase de término e homologação. Julga o Prof. Brown, ainda, que o estado-da-prática encontra-se em uma fase transitória entre os projetos empíricos e os mecanístico-empíricos. Sabe-se que chegar aos modelos mecanísticos funcionais é uma tarefa ainda incerta de sucesso, uma [email protected] 12 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 vez que a variabilidade de materiais, clima, tráfego, etc., leva este nível de análise a um patamar quase inviável. No entanto, é de consenso que a lógica dos projetos mecanístico-empíricos é o caminho para o futuro e neles devem ser concentrados as pesquisas e trabalhos vindouros. Desta forma, esta pesquisa irá abordar brevemente um histórico dos projetos puramente empíricos e irá se concentrar, posteriormente, nos projetos mecanístico-empíricos. 2.1.1 Projetos Empíricos Metodologias mais antigas para dimensionamento de pavimentos eram, como anteriormente discutido, essencialmente empíricas. Um conhecido exemplo é o método do CBR. Este método originalmente aplicava-se somente a pavimentos com tratamento superficial ou de revestimentos asfálticos delgados com camadas granulares espessas. O método considera somente dois fatores, a saber: a resistência do subleito, determinado através do ensaio de CBR e o tráfego de projeto. O afundamento de trilha de roda é o único mecanismo de falha verificado neste procedimento. O ensaio de CBR tem sido, e ainda é em vários lugares, utilizado para determinar a espessura da camada do pavimento. No entanto, este procedimento prevê tão somente uma análise qualitativa acerca da capacidade de suporte do material. Uma vez que as condições de contorno e de carregamento em um ensaio CBR não são compatíveis com aquelas de um pavimento real, os resultados devem ser utilizados com muita atenção. Em poucas palavras, o método do CBR faz uma consideração do tipo bottom-up (de baixo para cima) de forma a considerar todas as camadas subjacentes àquela em análise como uma camada de subleito com o valor do CBR igual ao ensaio de CBR da camada imediatamente abaixo à camada em questão. A espessura da referida camada é então determinada através de gráficos empíricos (Figura 2), os quais são baseados em equações da seguinte forma geral: h c3 1 c4 log N ESA CBR [email protected] 13 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Figura 2 – Curvas originais para projeto de pavimentos aeroportuários em função do CBR (Yoder e Witczak, 1975) Outros métodos empíricos antigos, e comumente usados nos EUA e no Reino Unido, eram os métodos de equivalência de camadas para os projetos de pavimentos multicamadas que contavam com camadas de diferentes materiais. O concreto asfáltico era normalmente considerado o material de referência com um fator de equivalência (FE) igual a 1. Outros materiais tinham valores de equivalência menores (por exemplo, materiais granulares = 0,3 a 0,5), de maneira que a espessura do material alternativo, quando multiplicado pelo fator de equivalência, teria, idealmente, o mesmo comportamento mecânico da camada calculada de material asfáltico. hCA FE hmaterialalternativo Uma forma relativamente modificada do método de equivalência, e empregada pelo Guia da AASHTO de 1986, é o método do número estrutural SN (Structural Number) a partir de dados obtidos pela conhecida pesquisa de desempenho de pavimentos em serviço “AASHTO Road Test”. O teste de rodovias da AASHTO foi uma série de experimentos feitos pela atual AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) para quantificar a contribuição do tráfego à deterioração da superfície de rodovias realizado nos anos de 1950. Este método assume que materiais com o mesmo SN irão comportar-se identicamente. O SN pode ser obtido a partir de uma tabela com os valores de CBR e tráfego de projeto como dados de entrada. Uma combinação de revestimento, base e sub-base, é selecionada de acordo com a seguinte formulação: [email protected] 14 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 SN ai Di i 1 Onde: ai = coeficiente estrutural da camada i, o qual é uma medida relativa à habilidade do material de funcionar com um componente estrutural do pavimento, onde: a2 = 0,294 (Log10EBS) – 0,977, coeficiente da base a3 = 0,227 (Log10ESB) – 0,839, coeficiente da sub-base. Di = espessura da camada i Para camadas de base e sub-base, ai é multiplicado por um “fator de drenagem mi”, o qual depende da capacidade de drenagem do material ou qualidade de drenagem e das condições climáticas locais ou do tempo necessário para a remoção de água (por exemplo, mi=1,4 em materiais drenantes em áreas de baixa precipitação pluviométrica e mi=0,4 para o caso oposto). Este fator aumenta ou reduz a contribuição estrutural da camada granulométrica. Métodos de catálogo como o Francês, Português e Espanhol também são tradicionais daqueles países. O objetivo do uso de catálogos é o de facilitar o trabalho dos engenheiros responsáveis pelo projeto e orçamento de rodovias. Normalmente, órgãos de pesquisa daqueles países fazem as considerações adequadas para uma gama de situações e criam catálogos com estruturas padrão que viabilizam a construção de pavimentos nos seus distritos. Na França, o Catálogo de pavimentos vem sendo estudado desde 1971, sendo que foi aplicado de uma forma geral no país em 1977, reformulado em 1988 e atualizado com uma versão nova em 1998, que é a publicação denominada “Catálogo de Estruturas-Tipos de Estradas Novas”, “CATALOGUE DES STRUCTURES TYPES DE CHAUSSÉES NEUVES”, LCPC e SETRA (1998), mais adaptado às realidades de suas estradas, materiais, tráfego e forma construtiva. O Catálogo Francês de 1998 é aplicado para rede de vias Estaduais e Federais, e era utilizado como referência nos casos de vias Municipais, sendo que em 2000 foi desenvolvida uma versão para áreas urbanas denominada “Metodologia de Concepção de um Catálogo Adaptado ao Contexto Local”, que se trata de adaptações do Catálogo para os casos de rede Municipal. Este catálogo apresenta, ainda, diferentes perfis estruturais de pavimentos, de maneira a permitir aos gestores viários a escolha da melhor estrutura em função das condições econômicas ou locais. Em linhas gerais o Catálogo oferece soluções de estruturas com as seguintes tipologias: estruturas de pavimentos flexíveis, de pavimentos asfálticos de grande espessura, semi-rígidos, mistos (compostos) e invertidos. O término da serventia desses tipos de pavimentos é considerado pelo catálogo em função da fadiga dos materiais rígidos e das misturas asfálticas, bem como à deformação permanente dos pavimentos asfálticos e do subleito. [email protected] 15 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 A grande vantagem do método de catálogos é sua fácil aplicação e padronização de projeto, o que facilita aos órgãos rodoviários dos países que o utilizam um fácil processamento orçamentário e burocrático de aprovação. Cabe salientar, no entanto, que quanto maior a variabilidade dos materiais, tráfego, condições climáticas e operacionais, tão mais difícil é de se fazer um catálogo eficiente. 2.1.2 Projetos Mecanístico-Empíricos Um método de dimensionamento é dito mecanístico (ou analítico) quando utiliza uma teoria para prever as tensões e deformações provenientes do tráfego e do clima na estrutura do pavimento, e procura compatibilizá-las com as tensões resistentes dos materiais. Por esse tipo de análise, tem-se um panorama de funcionamento da estrutura quando solicitada, possibilitando modificações quanto à natureza dos materiais constituintes, bem como quanto às espessuras das camadas. Ao analisar a estrutura do ponto de vista mecanístico, pode-se alterá-la de modo a proporcionar um desempenho adequado de cada um dos materiais do pavimento, para que o conjunto seja solicitado de forma equilibrada, sem que a solicitação seja demasiada em uma das camadas de modo a levála precocemente à ruptura. Entre as vantagens de um método mecanístico-empírico para o dimensionamento de pavimentos podem ser citados: melhor confiabilidade no projeto; possibilidade de prever defeitos específicos; possibilidade de extrapolação de resultados de laboratório e de campo; maior compatibilização entre custo e beneficio das obras; possibilidade de prever as conseqüências de novas configurações de carregamento; melhor utilização dos materiais disponíveis; possibilidade de se considerar explicitamente os efeitos sazonais. Os aspectos-chave de um projeto mecanístico estão nos modelos de comportamento dos materiais utilizados. Um procedimento mecanístico pode considerar um simples modelo de comportamento elástico do material sem variação do valor modular com a temperatura, até a consideração de um modelo visco-elasto-plástico dos materiais asfálticos com variação horária de suas propriedades em função das condições climáticas locais. Não obstante, são as considerações dos parâmetros resposta a serem utilizados. Nas análises mais simples, a tensão de tração na base do revestimento asfáltico e a deformação de compressão no topo do subleito, são os parâmetros resposta para o dimensionamento do pavimento. Eu outras, levam-se em consideração os modelos de [email protected] 16 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 desempenho para simular a vida do pavimento ao longo de toda a sua vida de projeto e antecipar, assim, previamente as manutenções sugeridas ao longo de todo o projeto, tendo por parâmetros de referência o comportamento mecânico das camadas e seu desempenho funcional. A parcela empírica das metodologias ME, ficam por conta de fatores de calibração que correlacionam a resposta dos modelos ao desempenho de estruturas reais. Estas fornecem subsidio para que os projetistas se certifiquem de que os resultados são coerentes com o comportamento de estruturas em serviço. A dificuldade fica, naturalmente, na determinação destes parâmetros que, muitas vezes, podem levar a significativas mudanças no projeto com pequenas variações nos coeficientes. A seguir descreve-se a sistemática utilizada por um projeto mecanístico de pavimentos e também se introduz o conceito de confiabilidade, que é uma importante ferramenta normalmente utilizada nas metodologias ME mais avançadas para lidar com as variações inerentes aos projetos de uma forma compatível com a importância e magnitude do mesmo. 2.1.2.1 Sistemática de um Projeto Mecanístico de Pavimentos O objetivo de um projeto de pavimento é selecionar uma estrutura economicamente viável – material, espessura de camada, processo construtivo – a qual irá fornecer um nível satisfatório de serventia para o tráfego previsto. Os dados de entrada para um projeto de pavimentos devem abordar: Tráfego de projeto Subleito e materiais de pavimentação Meio-ambiente Construção e manutenção Métodos, potencialidades e opções Geometria da rodovia Disponibilidade de equipamento Questões sociais A Figura 3 ilustra um processo iterativo para o dimensionamento de pavimentos. As principais etapas do processo incluem os seguintes aspectos: 1. Propor um anteprojeto para as condições específicas do local em questão; definir a capacidade de suporte do subleito, as propriedades dos materiais asfálticos a serem utilizados assim como a dos outros materiais de pavimentação, as cargas de tráfego, o clima, o tipo de pavimento e as características de projeto e construção. [email protected] 17 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 2. Estabelecer critérios de aceitação para a performance do pavimento ao final da sua vida de projeto (isto é, níveis aceitáveis de deformação permanente, trincamento por fadiga, trincamento por retração térmica, e irregularidade). 3. Selecionar o nível desejado de confiança para cada um dos indicadores de desempenho (isto é, definir o nível de confiança para os níveis de afundamento de trilha de roda, trincamento e irregularidade). 4. Processar os dados de entrada de modo a obter valores mensais de tráfego, variação sazonal do comportamento dos materiais necessários para a avaliação Figura 3 – Fluxograma do processo de dimensionamento de pavimentos flexíveis [email protected] 18 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 O processo avaliado no estágio de análise que se refere ao atendimento do critério de projeto é o ponto seletivo. Ele irá definir a mudança de estratégia ou a apreciação do projetista quanto a sua viabilidade técnica e econômica. Este critério, no entanto, pode ser uma simples verificação da tensão de tração na base do revestimento ou uma complexa verificação de uma miríade de parâmetros, dependendo do nível de complexidade da metodologia empregada. Se o veredicto for positivo em relação ao critério considerado, passa-se a uma apreciação quanto à viabilidade técnico-econômica. A primeira parte é função da disponibilidade de materiais e equipamentos, adequação de critérios da agência regulamentadora/órgão supervisor, condições geográficas e operacionais. Já a parcela referente à análise econômica tem a ver com o plano de investimentos do cliente (governo ou concessionária), o qual irá definir suas restrições. Pode ser que seja escolhido o projeto de um pavimento com longo ciclo de vida, nas quais apenas manutenções rotineiras são necessárias, assim como podem ser definidas políticas de conservação freqüentes ou até mesmo políticas de restauração a cada número de anos. A Figura 4 exemplifica duas políticas de manutenção que podem ser adotadas em um projeto. A política de conservação faz com que o nível de serventia do pavimento seja sempre mantido bastante acima do limite de projeto, no entanto, requer investimentos mais freqüentes, ainda que de menor vulto do que os investimentos necessários no exemplo ilustrado pela política de restauração. Esta última espera que o nível de serventia do pavimento chegue ao limite de projeto para que seja disparada uma restauração do pavimento. A estratégia a ser definida depende da política de engenharia e dos recursos alocados para cada projeto. Como é visto no item a seguir, estes valores também são função do nível de confiabilidade utilizado na análise do projeto. Figura 4 – Análise econômica do projeto – política de manutenção [email protected] 19 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 2.1.2.2 O Conceito de Confiabilidade A incorporação do conceito de confiabilidade em projetos mecanístico-empíricos permite ao projetista a consideração de várias incertezas no projeto do pavimento, auxiliando à tomada de decisões baseados em uma solução compatível com a importância do projeto e também dos níveis de acurácia dos dados de entrada. Atualmente, várias das metodologias de dimensionamento ME empregadas adotam o conceito de confiabilidade para levar em consideração a variação inerente aos processos rodoviários, sejam eles de material, mão-de-obra, variáveis de projeto, clima, ou ainda, dados de entrada. Técnicas de análise de confiabilidade fornecem uma importante ferramenta para o endereçamento de incertezas na previsão do desempenho de um pavimento ao longo da sua vida de projeto. Em geral, um procedimento para projeto de pavimentos com análise de confiabilidade irá fornecer as seguintes vantagens: Consideração da variabilidade dos processos construtivos, diferenças entre projetos e as-built, variabilidade dos materiais e também incertezas associadas à previsão de tráfego para a vida de projeto. Quantificação da variação gerada pelos modelos devido a hipóteses e simplificações dos algoritmos de análise. Possibilidade de escolha de um nível de confiança que reflita as conseqüências relativas aos parâmetros de desgaste dos pavimentos. Ou seja, se o ATR for mais crítico no projeto em questão do que trincamento por fadiga em virtude, por exemplo, do aumento de riscos aos motoristas, uma confiabilidade mais elevada pode ser selecionada para o ATR do que ao trincamento por fadiga. Confere aos pavimentos projetados uma uniformidade no desempenho previsto, sem o qual uma comparação do custo do ciclo de vida pode ser enganosa e que poderia resultar na seleção de uma opção de pavimentação de menor custo/benefício. Confiabilidade de um sistema é função da probabilidade de sucesso/falha de seus componentes. Em um projeto de engenharia, é a medida de adequação de um projeto através da determinação do complemento da probabilidade de falha, conforme mostra a equação abaixo. Confiabili dade(C) 1 probabilid ade _ de _ falha ( P( f )) Do ponto de vista de um projeto de pavimentos, confiabilidade pode ser definida como a probabilidade de que o número admissível de passagens de eixos padrão seja excedido pelo número de efetivas passagens de eixo ao longo da vida de projeto. Na prática, os fatores de confiabilidade são aplicados aos modelos de previsão de falha dos pavimentos de acordo com a importância do parâmetro em análise, levando-se em [email protected] 20 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 conta os dados de entrada do projeto. A Figura 5 ilustra um resultado de uma análise ME para um projeto de pavimento em um horizonte de 27 anos. É notável a diferença determinada para o pavimento em análise para os dois diferentes níveis de confiabilidade testados. Para uma confiabilidade de 95% o tempo que o pavimento levará para desenvolver o ATR limite de projeto é de 112 meses, ao passo que para uma confiabilidade de 80%, este tempo passa para 168 meses; uma diferença de quase mais de quatro anos e meio. A Tabela 1 mostra a variabilidade dos módulos de diferentes camadas (revestimento betuminoso, base granular e subleito) registrada na literatura e compilada por Maji (2008). A informação da tabela indica que o coeficiente de variância (COV) aumenta gradualmente do revestimento asfáltico para a camada de subleito, denotando o nível de variação que pode ser esperado pelos materiais. Outras variáveis como coeficiente de Poisson, pressão de inflação dos pneus, espaçamento entre rodas, fator de equivalência de eixo, fator de distribuição lateral, etc., também são fatores que devem ser levados em consideração para o uso de um nível de confiabilidade adequado ao projeto. Tabela 1 – Variabilidade dos módulos de rigidez das camadas de um pavimento (Maji, 2008) Tipo de camada Tipo de distribuição Intervalo de COV Valor médio (MPa) Desvio Padrão (MPa) Log-normal 10-40 - - Normal 10-20 - - - 29-37 904.90 - 1081.81 262.55 - 404.78 Log-normal 5-70 2070 - Log-normal 10-40 - - Normal 10-30 - - Log-normal 5-60 - - - 23-25 220.35 - 226.02 51.26 - 55.81 Log-normal 5-60 172 - Normal 9-24 - - Log-normal 20-45 - - - 9-10 102.34 - 106.71 8.68 - 11.12 Log-normal 5-50 103 - Log-normal 20-60 - - Camada com revestimento asfáltico Camada de base granular Subleito Nota: COV = coeficiente de variância [email protected] 21 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Deformação Permanente (Afundamento de Trilha de Roda) 0.60 SubTotalCA ATR de projeto para CA = 0.25 Limite de projeto para ATR = 0.28 0.50 SubTotalBase SubTotalSL ATR (in) 0.40 ATR Total 0.30 0.20 ATRTotal Confiabilidade80% 0.10 ATRTotal Confiabilidade95% ATR Total - Limite Projeto 0.00 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Idade do Pavimento (meses) Figura 5 – Exemplo de aplicação do nível de confiabilidade em uma análise de deformação permanente [email protected] 22 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 3 MÉTODOS INTERNACIONAIS PARA PROJETO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS A seguir são descritos alguns dos métodos mecanístico-empíricos internacionais de projeto para pavimentos flexíveis. Será feito uma breve abordagem de cada método descrevendo os pontos-chave de cada um. O objetivo da análise abaixo é estabelecer os métodos em uso no contexto internacional para que possam ser identificadas suas vantagens e desvantagens de modo a permitir a seleção dos mesmos na análise comparativa a ser realizada adiante no estudo. 3.1 MÉTODO AUSTRALIANO Na Austrália, o guia de projeto de pavimentos utilizado é chamado Austroads Pavement Design Guide (APDG) publicado em 1992 e revisado em 2004. Há indícios documentados na literatura consultada que este guia de projeto de pavimentos tem sua origem no método de projeto do Departamento de Rodovias do Estado da Califórnia nos Estados Unidos. Ele considera o pavimento como sendo uma estrutura com a finalidade de suportar cargas a qual deve ser analisada em termos mecanísticos – tensão e deformação – e através de modelos de previsão de desempenho embasados empiricamente. O APDG utiliza um processo analítico para determinar a resposta do pavimento a um carregamento simples como função de uma resposta crítica; ou a deformação horizontal de tração na base da camada estabilizada (camada asfáltica ou cimentada) ou a deformação vertical de compressão no topo do subleito conforme mostra a Figura 6. Figura 6 – Localização das deformações críticas em um pavimento (Austroads 1992) [email protected] 23 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 A deformação é utilizada como parâmetro de entrada para análise do desempenho do pavimento que irá correlacionar a resposta crítica ao tráfego máximo permitido para o período de projeto. A última versão do APDG de 2004 utiliza o programa computacional CIRCLY para as análises mecanísticas. O programa calcula as tensões, deformações e deslocamentos induzidos pelo carregamento na estrutura multi-camadas em análise. A máxima deformação vertical de compressão no topo do subleito é correlacionado com o número de passagens de eixos padrão necessário para causar a falha do pavimento por deformação permanente. A máxima tensão horizontal na fibra inferior da camada asfáltica ou cimentada é relacionada ao tráfego necessário para causar o fim da vida útil do pavimento por trincamento de fadiga. A metodologia mecanística empregada envolve o cálculo do dano ao pavimento por estas deformações críticas conforme ilustradas na Figura 6. Estes parâmetros mecanisticamente determinados são correlacionados empiricamente com critérios de falha estabelecidos por relações de desempenho do pavimento da seguinte forma: k N b Onde: N é a vida de projeto do pavimento K é a constante do material B é o expoente de dano do material ε é a deformação induzida pelo carregamento Os parâmetros k e b são determinados pela calibração do método de projeto através de observações de desempenho de pavimentos em serviço. A grande maioria das observações que faziam parte do guia na sua primeira edição de 1992 foi aceita para a nova versão de 2004. A adição veio por conta das análises mecanísticas e do fator cumulativo de dano que foi introduzido. O fator de dano para o i-ésimo eixo de carga é definido como o número de repetições de carga em uma dada deformação divido pelo número permitido de repetições de carga (Ni) da deformação que iria causar a ruptura do pavimento. O fator de dano cumulativo (FDC) é obtido pela soma dos fatores de dano por todos os carregamentos do espectro de carga utilizando a hipótese de Miner. Espera-se que o pavimento tenha atingido sua vida de projeto quando o dano acumulado chega a 1,0. Se o FDC for menor do que 1,0, então o pavimento tem capacidade a mais de suportar o tráfego antecipado. Este tipo de aproximação permite que análises sejam realizadas para um tráfego misto. Várias iterações realizadas pelo programa computacional permitem, assim, que as espessuras dos materiais sejam dimensionadas [email protected] 24 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 de maneira a conferir a estrutura final um pavimento adequado para o tráfego de projeto. 3.2 INSTITUTO DO ASFALTO - EUA O método proposto pelo Instituo do Asfalto (IA) Norte-Americano é originalmente baseado em análises de dados coletados no AASHO Road Test. Assim, indiretamente, o uso dos conceitos de desempenho e serventia resultantes do programa de testes de rodovias da AASHO influenciou diretamente a seleção do um nível de serventia mínimo feito pela metodologia de projeto do IA. Na versão atual do guia de projeto do IA utiliza-se da ferramenta computacional SW-1 – “Programa computacional para dimensionamento de espessuras de pavimentos asfálticos do Instituto do Asfalto”. O SW-1 oferece uma metodologia automatizada para o projeto de pavimentos flexíveis rodoviários, urbanos, aeroportuários, entre outros. O programa utiliza uma ferramenta conhecida como DAMA. O DAMA, originalmente desenvolvido por Witczak e Hwang, é a metodologia utilizada pelo guia de projeto do IA para determinar a mínima espessura de pavimento que atenda aos critérios de ruptura por fadiga e deformação permanente. Para as análises de tensãodeformação realizadas pelo programa, o mesmo utiliza o programa analítico N-Layer da Chevron. A base para a avaliação da capacidade de suporte do subleito é o seu módulo de resiliência (MR). Para facilitar o amplo uso do software, se mantém correlações entre CBR e um valor de resistência R. Faz-se ainda uma correlação direta entre MR e CBR, apesar de a metodologia salientar que tais correlações feitas no seu procedimento devem ser restritas a solos de granulometria fina e solos com a classificação universal CL, CH, ML, SC, SM e SP, ou ainda, para materiais que tenham o MR menor que 206 MPa. Os critérios de falha utilizados pelo DAMA são baseados em critérios de deformabilidade dos materiais. O critério de fadiga é correlacionado ao número máximo de repetições de carga (Nf) com a deformação de tração na base da camada do revestimento e do módulo dinâmico da mistura; enquanto que o critério de ruptura por deformação permanente relaciona o número máximo de repetições de carga (Nd) com a deformação de compressão no topo do subleito. N f 0,0796 t 3, 291 E 0,854 N d 1,365 10 9 c 4, 477 Para os projetos de restauração, a metodologia empregada pelo SW-1 é o método de espessura efetiva, ou seja, após fazer a análise mecanística e determinar a espessura de pavimento necessário para o tráfego de projeto de uma estrutura nova, o método prevê fatores de conversão para o cálculo da espessura efetiva do pavimento existente. Desta [email protected] 25 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 forma, a real espessura de pavimento já deteriorada é reduzida para uma espessura efetiva de contribuição, que deverá ser deduzida do valor da camada nova calculada, resultado, assim, na altura de recape do pavimento a ser reabilitado. 3.3 MÉTODO INGLÊS – HIGHWAYS AGENCY A metodologia para dimensionamento de pavimentos flexíveis na Inglaterra ainda permanece bastante anexo às metodologias empíricas estudadas no país. Apesar de vários estudos recentes caminharem para o uso de metodologias mecanísticas. a Highways Agency, órgão federal responsável pela manutenção rodoviária no Reino Unido, através do Volume 7 do Manual para Projeto de Rodovias e Pontes, estabelece os métodos de projeto. A seção 2 do guia de projeto e construção de pavimentos especifica os tipos de materiais, os critérios para consideração de tráfego e os métodos construtivos. A filosofia de projeto adotada é parte do relatório 615 do TRL (Transportation Research Laboratory) de 2004. Os tipos de revestimentos asfálticos considerados no método são: macadame betuminoso denso (DBM), asfalto rolado a quente (HRA) e mistura de alto módulo (EME). O dimensionamento é feito de uma maneira simples. Após a determinação da classe do subleito, estabelecida a partir do seu módulo de resiliência, verifica-se o tráfego para o período de projeto e escolhem-se os materiais a serem utilizados. Com isto em mãos, o projetista designa se fará o projeto com base estabilizada2 ou base asfáltica, e determinase, com isto, a espessura de revestimento através do ábaco ilustrado na Figura 7. Figura 7 – Espessuras de projeto para pavimentos flexíveis segundo a metodologia inglesa 2 Entende-se por base estabilizada na metodologia inglesa, misturas estabilizadas pela adição de cimento, escória ou cinza-volante, ou, ainda, alguma mistura industrializada destes três materiais. [email protected] 26 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Os projetos prevêem que as rodovias de alto volume de tráfego devem ser projetadas para um período de 40 anos, enquanto que as rodovias com menores volumes de tráfego podem ser projetadas para 20 anos. 3.4 MÉTODO DO GUIA DA AASHTO O método do Guia da AASHTO (1986) é baseado no conceito de fator de vida restante e pode ser aplicado a vários tipos de restauração. O método recomenda o uso de ensaios deflectométricos para avaliar a capacidade estrutural do subleito e demais camadas. Para o projeto de restauração de pavimentos, o guia propõe que sejam seguidos alguns passos. Estes passos podem ser assim resumidos: Definição de Segmentos Homogêneos e Análise de Tráfego Os segmentos são definidos pela união de seções levando em consideração parâmetros como: capacidade de suporte da fundação, histórico de construção e estado de superfície do pavimento existente. O tráfego é determinado através do número acumulado de repetições do tráfego para o período de projeto assumido (Wt18). Materiais Empregados Com relação aos materiais das camadas a serem considerados no projeto de restauração, devem ser definidas as seguintes características: Propriedades das camadas do pavimento existente; Propriedades da camada de subleito; Propriedades da camada de recapeamento. Estas propriedades podem ser caracterizadas a partir do valor de módulo de resiliência do material da camada. Estes módulos resilientes são estimados por retroanálise através dos resultados de ensaios deflectométricos (Viga Benkelman ou FWD). As várias camadas do pavimento podem ser também caracterizadas pelo valor do coeficiente de Poisson. Valores típicos são sugeridos pelo método. Análise da Capacidade Estrutural Efetiva (SNxeff) A capacidade estrutural efetiva do pavimento existente (SNxeef) é definida através do somatório do produto dos coeficientes estruturais pela espessura da camada. Os coeficientes estruturais foram definidos através de ábacos que relacionam o valor de módulo resiliente e o valor de CBR da camada: SN xeff ai Di i [email protected] 27 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Onde: ai = coeficiente estrutural da camada (em função do módulo de elasticidade da camada); Di = espessura da camada em polegadas. Análise da Capacidade Estrutural do Recapeamento (SNy) Este item tem o objetivo de estimar a capacidade estrutural do recapeamento futuro, ou seja, determinar a capacidade estrutural total de um pavimento novo que deverá suportar N repetições de cargas do tráfego, projetado com determinadas características. Determinação do Fator de Vida Restante (FRL) O fator de vida restante FRL é um fator de ajuste aplicado à capacidade estrutural efetiva SNxeff para refletir mais realisticamente a capacidade estrutural durante o período de projeto considerado no recapeamento. O FRL depende do valor de vida restante do pavimento existente antes do recapeamento RLx e do valor da vida restante do pavimento restaurado após o tráfego de projeto de recapeamento RLy. A Figura 2.3 ajuda a ilustrar alguns destes conceitos descritos acima. Segundo o Guia, a vida restante do pavimento existente antes do reforço é um parâmetro difícil de ser determinado. Existem cinco critérios possíveis para estimar o valor de FRL, são eles: Critério 1: Através de ensaios deflectométricos, em função da capacidade estrutural; Critério 2: Tráfego, a partir de dados históricos precisos; Critério 3: Vida de serviço, através do tempo que a rodovia tem estado em serviço antes do recapeamento, período de projeto e taxa de crescimento anual do tráfego; Critério 4: Índice de serventia, conhecendo o índice de serventia do pavimento e a capacidade estrutural inicial (SN0) é definido o FRL com o uso de um ábaco; Critério 5: Condição superficial, o FRL é definido através do uso de uma curva que relaciona RLx com Cx. Determinação da Espessura de Recapeamento em Concreto Asfáltico (hol) O SN requerido (SNol), para recapeamento em concreto asfáltico sobre pavimento flexível existente: SNOL SN y FRL SN xeff A espessura requerida de camada asfáltica (hol) : hol SN ol aol [email protected] 28 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Onde: aol= coeficiente estrutural do material de recapeamento O guia identifica umidade sazonal para “quantificar o dano relativo que o pavimento sofre em cada estação do ano e os trata de uma forma global em todo o processo de dimensionamento”. O módulo de resiliência para materiais granulares é considerado a partir de ensaios de laboratórios ou então valores pré-estabelecidos para o módulo ktheta em uso são sugeridos. Para o subleito, um módulo de resiliência efetivo é estabelecido, o qual é equivalente ao efeito combinado de todos os módulos sazonais. As condições de umidade sazonal para as quais as amostras do solo de subleito são ensaiadas levam a variações significativas nos valores de modulares. 3.5 O GUIA DA AASHTO 2002 O Guia de Projeto de Pavimentos Empírico-Mecanístico foi elaborado pelo Projeto NCHRP (National Cooperative Highway Research Program) 1-37(A) e é largamente difundido como Guia AASHTO 2002. Este guia tem como objetivo ser um manual para projeto de pavimentos novos e reabilitações tanto para pavimentos flexíveis quanto rígidos. É um dos primeiros guias a incorporar de uma maneira mais abrangente o conceito mecanístico aos materiais, trazendo um novo horizonte para a engenharia rodoviária. A filosofia de funcionamento do novo guia da AASHTO inclui as seguintes doutrinas: O guia aplica de uma forma abrangente o conhecimento já validado com tecnologias no estado-da-prática. O guia fornece aos projetistas a versatilidade de consideração de uma grande variedade de opções de materiais e projetos. O guia proporciona uma base de projeto eqüitativa do ponto de vista da seleção do tipo de pavimento. O guia abrange tanto questões de projeto para pavimentos novos quanto reabilitações. O guia e o software associado são de uso/interface amigável. O guia compreende três níveis hierárquicos de dados de entrada para o projeto, de maneira a adequar a importância do projeto ao esforço a ele associado. Os níveis de entrada também permitem o uso de procedimentos que podem sofrer melhorias no futuro. Associado ao novo guia de projetos, foi lançado um software que integra toda a metodologia proposta. O MEPDG (Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide) combina os elementos de modelagem mecânica e análise da performance de pavimentos em um grupo de condições de projeto. O programa utiliza modelos numéricos para analisar dados de entrada do tráfego, clima e comportamento dos materiais de uma proposta estrutura, onde são estimados os danos [email protected] 29 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 acumulados durante toda a sua vida útil. É aplicável para projetos de novos, bem como de reforços, tanto de pavimentos flexíveis, rígidos e semi-rígidos. O conceito de performance abrange estrutura, funcionalidade e segurança. Os prognósticos de desempenho são feitos em termos de defeitos e qualidade ao rolamento. Os seguintes danos para pavimentos flexíveis são abordados pelo MEPDG: deformação permanente, trincamento por fadiga – ascendente e descendente – e ainda trincamento térmico. A maneira como o software trabalha é uma forma integrativa de pequenos diferenciais de tempo e comportamento do pavimento. Ou seja, o ano é discretizado em intervalo de tempo da ordem de minutos e para cada um destes intervalos, é calculado o comportamento discretizado das camadas levando-se em consideração desde a variação de temperatura devido à irradiação solar até mesmo a distribuição horária de veículos para o ponto em análise. Um dos mais interessantes aspectos deste novo guia é o seu acesso hierárquico, isto é, a consideração de diferentes níveis de precisão dos dados de entrada. O Nível 1, mais elevado, requer do engenheiro-projetista, dados mais acurados, isto é, ensaios dos materiais, pesagens de veículos, etc. O Nível 2 requer ensaios, mas são permitidos correlações de dados, como por exemplo, módulo do subleito estimado através de correlação com o ensaio do CBR. Finalmente o Nível 3, baseado em valores fornecidos pelo programa, na falta de valores locais. Uma das grandes dificuldades de fazer um dimensionamento no nível 1 é a consideração de todos os parâmetros de entrada. Dados sobre a mistura asfáltica, por exemplo, requerem toda a caracterização do ligante asfáltico assim como da mistura, exigindo dados como a curva mestre para determinação do módulo complexo e ângulo fase em uma varredura de freqüências e temperaturas. Desta forma, para projetos onde se tenha menor conhecimento ou controle, ou, ainda, maior variabilidade, das condições de contorno, um projeto em nível 3 pode absorver necessidades que não seriam possíveis de ser atendidas para um projeto em nível 1. O nível de complexidade que o guia aborda o projeto demanda um enorme esforço para o seu detalhamento, e não está no escopo deste projeto o detalhar. Ressalta-se, no entanto, que o seu princípio mecanístico parece estar na liderança de outras metodologias e tem o potencial de ser uma das ferramentas mais avançadas nos dias de hoje para projeto de pavimentos. [email protected] 30 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 4 MÉTODOS NACIONAIS PARA PROJETO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS A seguir apresentam-se alguns dos métodos brasileiros mais difundidos e tradicionalmente utilizados no país para o dimensionamento de pavimentos. Ainda que existam outras metodologias aplicadas por diversos projetistas, que podem se munir de uma compilação de metodologias e criar métodos particulares para cada projeto, não é possível abordar aqui toda a miríade de metodologias já criadas. Assim, faz-se uma revisão de métodos nacionais já consagrados na literatura. 4.1 MÉTODO DO CBR (DNER) O método tem como base o trabalho "Design of Flexible Pavements Considering Mixed Loads and Traffic Volume", da autoria de W.J. Turnbull, C.R. Foster e R.G. Ahlvin, do Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA e também conclusões obtidas na Pista Experimental da AASHTO. Relativamente aos materiais integrantes do pavimento, são adotados coeficientes de equivalência estrutural tomando por base os resultados obtidos nas pistas experimentais da AASHTO, com modificações julgadas oportunas. A capacidade de suporte do subleito e dos materiais constituintes dos pavimentos é feita pelo CBR. O pavimento é dimensionado em função do número equivalente (N) de operações de um eixo tomado como padrão, durante o período de projeto escolhido. O método apresenta fatores de equivalência de operação entre eixos simples e em "tandem", com diferentes cargas e o eixo simples padrão com carga de 82 kN. Para a determinação do N de projeto, faz-se ainda consideração acerca de um fator de eixos e de um fator de carga, cuja função é homogeneizar a composição do tráfego. É ainda prevista a consideração de um fator climático regional, que leva em conta as variações de umidade dos materiais do pavimento ao longo das diversas estações do ano (o que se traduz em variações da capacidade de suporte dos materiais). O método ainda estabelece coeficientes de equivalência estrutural os variados tipos de materiais, conforme a Tabela 2. A Figura 8 ilustra o gráfico para determinação da espessura total do pavimento em função de N e de I.S. ou CBR; a espessura fornecida por este gráfico é em termos de material com K = 1,00, isto é, em termos de base granular. Entrando-se em abscissas, com o valor de N, procede-se verticalmente até encontrar a reta representativa da capacidade de suporte (I.S. ou CBR) em causa e, procedendo-se horizontalmente, então, encontra-se, em ordenadas, a espessura do pavimento. Supõe-se sempre, que há uma drenagem superficial adequada e que o lençol d'água subterrâneo foi rebaixado a, pelo menos, 1,50 m em relação ao greide de regularização. [email protected] 31 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Tabela 2 – Coeficientes de Equivalência Estrutural Componentes do Pavimento Coeficiente K Base ou revestimento de concreto betuminoso 2,00 Base ou revestimento pré-misturado a quente, de graduação densa 1,70 Base ou revestimento pré-misturado a frio, de graduação densa 1,40 Base ou revestimento betuminoso por penetração 1,20 Camada de base granular 1,00 Solo cimento com resistência à compressão a 7 dias, superior a 4,5 MPa 1,70 Idem, com resistência à compressão a 7 dias, entre 4,5 MPa e 2,8 MPa 1,40 Idem, com resistência à compressão a 7 dias, entre 2,8 MPa e 2,1 MPa 1,20 Figura 8 – Gráfico para cálculo da espessura do pavimento segundo o método do CBR do DNER [email protected] 32 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Tabela 3 – Espessuras mínimas de revestimento betuminoso N Espessura Mínima de Revestimento Betuminoso N ≤ 10 6 Tratamentos superficiais betuminosos 6 10 < N ≤ 5 x 10 6 5 x 10 < N ≤ 10 7 10 < N ≤ 5 x 10 6 Revestimentos betuminosos com 5,0 cm de espessura 7 Concreto betuminoso com 7,5 cm de espessura 7 Concreto betuminoso com 10,0 cm de espessura 7 N > 5 x 10 Concreto betuminoso com 12,5 cm de espessura Uma vez determinadas as espessuras Hm, Hn, H20, pelo gráfico da Figura, e R pela Tabela 3, as espessuras de base (B), sub-base (h20) e reforço do subleito (hn), são obtidas pela resolução sucessiva de inequações que levam em consideração os coeficientes de equivalência estrutural apresentados anteriormente. Pelo fato de ser baseado no método de dimensionamento empírico do CBR proposto pelo Corpo de Engenheiros do Exército Americano (USACE), seu princípio segue as mesmas limitações daquele método; os diferentes materiais de pavimentação são reduzidos a coeficientes estruturais empiricamente determinados, assim como os fatores de carga utilizados para o cálculo do número N. Nenhum tipo de análise mecanística e necessária e a metodologia se resume a processos simples de equacionamentos e interpretação gráfica. 4.2 MÉTODO DA RESILIÊNCIA - TECNAPAV O intitulado Método da Resiliência foi elaborado pelos engenheiros Salomão Pinto e Ernesto Preussler em 1982. Este método é preconizado pela norma do tipo procedimento do extinto DNER PRO 269. O método também é conhecido pela designação TECNAPAV. É um procedimento mecanístico-empírico, baseado nos modelos de fadiga de misturas asfálticas, no comportamento resiliente de solos finos e materiais granulares e no cálculo de tensões e deformações considerando a teoria da elasticidade não linear. É realizada uma avaliação objetiva da superfície do pavimento, levantamento das deflexões recuperáveis, coleta de amostras e ensaios de caracterização, granulometria com sedimentação e CBR. O dimensionamento é baseado na deflectometria, constituição do subleito e do pavimento existente. O método é um procedimento baseado em modelos de resiliência, concebido pela necessidade de um método de análise mecanística que calculasse a deflexão máxima prevista de uma estrutura proposta para uma determinada expectativa de vida de fadiga. Na metodologia, considera-se o valor estrutural da camada betuminosa em função do tipo de subleito e do tráfego futuro, leva-se em conta o comportamento elástico nãolinear dos solos e materiais granulares, toma-se partido da boa qualidade dos solos [email protected] 33 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 argilosos de comportamento laterítico, diminuindo-se consideravelmente a parcela da espessura total do pavimento que corresponde à camada granular. Adicionalmente, como um projeto de pavimentação requer a análise de um número considerável de perfis, as equações apresentadas pelo método simplificam significativamente este processo, com a vantagem que os modelos de resiliência resultaram da aplicação racional do programa FEPAVE 2 em projetos fatoriais para estruturas típicas de pavimentos rodoviários. A espessura total do pavimento (Ht) é calculada em função do CBR do subleito e do parâmetro de tráfego N, como mostra a equação abaixo. Já a espessura mínima de revestimento betuminoso (Hcb) é calculada em função de I1 e I2, que são relacionadas às características resilientes do subleito. Já o cálculo da espessura da camada granular (HCG) é função de Hcb, Ht e do valor estrutural da camada betuminosa (VE). Este último parâmetro caracteriza-se por depender da qualidade da mistura betuminosa e da constituição da estrutura do pavimento como um todo. Espessura total do pavimento H t 77,67 N 0,0482CBR 0,598 Espessura mínima do revestimento betuminoso H CB 5,737 807,961 0,972 I1 4,101I 2 DP Espessura da camada granular H CB VE H CG H t H CG 35cm Os modelos de fadiga obtidos resultam de ensaios de compressão diametral de cargas repetidas sob tensão controlada e permitiram, para fins de projeto, relacionar a deflexão do pavimento com o número de aplicações de carga. O critério de cálculo da deflexão admissível (D) a partir dos estudos de Preussler, Pinto & Medina e dos estudos de Preussler & Pinto, permitiu estabelecer uma equação para quantificar o número cumulativo de repetições (N) da deflexão (D), que provoca a ruptura por fadiga da camada betuminosa de concreto asfáltico, ou seja: log D 3,148 0,188 log N Portanto, a deflexão de projeto DP deve satisfazer a condição de Dp ≤ D . [email protected] 34 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Pode-se dizer finalmente que o método faz alguns avanços em cima do método do CBR, mas é ainda fortemente empírico. As considerações de resiliência que são feitas ficam restritas às características do subleito. 4.3 PROCEDIMENTO DNER /DNIT 4.3.1 Procedimento Normativo PRO10/79 O procedimento de avaliação estrutural de pavimentos flexíveis DNER PRO 010 data de 1979. O Método foi inicialmente desenvolvido e divulgado pelo Engenheiro Armando Martins Pereira e consiste em uma adaptação do método na época adotado pela Califórnia Division of Highways, publicado em 1967 com inovações e soluções monográficas. Ele estabelece os procedimentos necessários para a avaliação estrutural dos pavimentos flexíveis existentes, aponta as causas de suas deficiências e fornece elementos para o cálculo da vida restante ou do reforço necessário para um novo número de solicitação de eixos equivalentes ao eixo padrão durante o período de considerado (número N). É um procedimento empírico de análise deflectométrica, onde inicialmente são realizados uma avaliação objetiva da superfície do pavimento e um levantamento das deflexões e raio de curvatura com a viga Benkelman. Utiliza o deslocamento máximo recuperável, a espessura do revestimento existente e índices de fissuração como parâmetros caracterizadores da condição do pavimento existente. As deflexões de projeto são calculadas estatisticamente e as deflexões admissíveis através do número N. As espessuras do reforço são obtidas através das variáveis citadas. O dimensionamento é baseado no critério de deformação em relação à deflexão recuperável e o desempenho do pavimento. Santana (1989) atribui a principal limitação do método ao fato de não ser possível experimentalmente correlacionar a deformação reversível no topo da camada de revestimento com a deformação específica na face inferior da mesma camada. O método é baseado na evolução das deflexões recuperáveis quando o pavimento é submetido às ações de carregamento e intemperismo, como pode ser visto na Figura 9, obedece a três etapas de distintas: Fase de consolidação: devido à compactação pelo tráfego, com diminuição da deflexão. Fase elástica: deflexões praticamente constantes, pode-se considerar como a vida útil do pavimento. Fase de fadiga: aumento acelerado da deflexão, aparecimento dos defeitos pela perda da capacidade estrutural. [email protected] 35 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Figura 9 – Evolução das deflexões recuperáveis Segundo a norma DNER PRO 10/79 Para o estudo definitivo as etapas sugeridas pelo método a serem seguidas são como seguem: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Demarcação das estações de ensaio. Determinação das deflexões recuperáveis com Viga Benkelman. Inventário do estado da superfície do pavimento existente. Sondagens complementares a pá e picareta. Sondagem rotativa nas camadas betuminosas. Representação gráfica dos resultados dos estudos. Em um diagrama, são resumidas as várias informações pertinentes relacionadas com o pavimento. 7. Definição dos limites dos segmentos homogêneos. São sugeridos, por motivos construtivos, que estes trechos não sejam inferiores a 200 metros e superiores a 2.000 metros. 8. Análise estatística das deflexões recuperáveis. 9. Cálculo da deflexão de projeto. 10. Cálculo da vida restante do pavimento existente. 11. Determinação do N de projeto. 12. Cálculo da altura de reforço. 4.3.2 Procedimento Normativo PRO11/79 Este procedimento foi inicialmente divulgado pelo engenheiro Bolivar Lobo Carneiro, baseado no método de dimensionamento de reforço para pavimentos flexíveis do engenheiro argentino Celestino Ruiz. O método também faz referência à evolução das deflexões recuperáveis, como visto na Figura 9. [email protected] 36 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 É um procedimento empírico de análise deflectométrica, baseado na avaliação objetiva da superfície do pavimento e levantamento das deflexões e raio de curvatura com a viga Benkelman. Para cada segmento homogêneo do trecho a ser restaurado são determinadas estatisticamente a deflexão de projeto e as deflexões admissíveis através do número N. A avaliação estrutural do pavimento e o cálculo do reforço são executados pelos critérios deflectométricos e da resistência. O cálculo da espessura do reforço em concreto asfáltico é efetuado em função da deflexão de projeto e da deflexão admissível. O dimensionamento de reforço com concreto asfáltico é calculado, também, pelo critério deflectométrico ou da deformabilidade. O critério de deflexão admissível foi extraído do Asphalt Institute – USA. Apenas o deslocamento vertical máximo recuperável é utilizado como parâmetro caracterizador da condição do pavimento existente. É previsto uma correção sazonal da deflexão de projeto considerando-se a distribuição das precipitações mensais da região e também das características da estrutura do pavimento e de seu subleito. A deflexão admissível é calculada apenas em função do tráfego previsto para o período de projeto. O procedimento utiliza, ainda, coeficientes de equivalência estrutura para o dimensionamento de reforço em com múltiplas camadas. Os mesmos passos de 1 a 12 citados anteriormente no PRO10 também são sugeridos neste método. A metodologia para cálculo da altura do reforço é essencialmente diferente em relação àquela norma. 4.3.3 Procedimento Normativo PRO159/85 O DNER-PRO 159/85 foi desenvolvido com base nos estudos e dados da tese de doutorado do Engenheiro César Queiroz. É um procedimento empírico de análise da deficiência estrutural e funcional e define um método para projeto de restauração de pavimentos flexíveis e semi-rígidos. Para a uso do procedimento é necessário uma avaliação objetiva da superfície do pavimento, medição da irregularidade, espessuras das camadas constituintes e determinação do módulo de resiliência do revestimento asfáltico. O método é baseado no pressuposto que após a entrega ao tráfego o pavimento inicia um processo de degradação com a perda de sua capacidade estrutural e funcional. O dimensionamento do reforço é realizado em função de equações de desempenho do pavimento, em relação à irregularidade, trincamento e desgaste. O método considera critérios de gerência de pavimentos, analisando suas várias alternativas de reforço para um pavimento, mediante o estudo do desempenho estrutural e funcional. Os modelos de desempenho do DNER PRO 159/85 foram testados através de uma longa experiência no seu emprego e demonstram que podem estimar com razoável confiabilidade a evolução do trincamento e da irregularidade tanto de um pavimento existente como de um pavimento restaurado com CBUQ, proporcionando de uma maneira clara e objetiva o cálculo da vida restante dos pavimentos flexíveis sob as mais diversas condições de restrições que lhe foram impostas. [email protected] 37 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Para substituir os exaustivos cálculos necessários à análise desejada, foi desenvolvido um programa computacional que, utilizando modelos estabelecidos, permite simular o desempenho do reforço ao longo do tempo. O programa foi denominado PAEP – Pesquisa de Avaliação Estrutural de Pavimentos (Pinto e Preussler, 2002). 4.4 MOTTA 1991 A Prof. Laura Motta em 1991 apresentou em sua tese de doutorado um método mecanístico de dimensionamento de pavimentos flexíveis, consolidando os estudos sobre a Mecânica dos Pavimentos desenvolvidos na COPPE/UFRJ desde os anos 70. O método incorpora as novas técnicas de ensaio de materiais de pavimentação, métodos racionais de cálculo de tensão-deformação nas diversas camadas, influências climatológicas, conceitos de desempenho e parâmetros de tráfego. Permite ainda a consideração da incerteza e variabilidade dos dados de projeto, resultando num tratamento probabilístico. No método apresentado por Motta (1991) para dimensionamento de pavimentos flexíveis, adota-se uma estrutura inicial, define-se a variabilidade dos dados e o nível de confiabilidade a ser utilizado no projeto. A análise mecanística é efetuada utilizando-se um programa computacional, usando um modelo elástico linear para o revestimento asfáltico e elástico não-linear para as camadas subjacentes, verificando-se as tensões e deformações e comparando-as com critérios de aceitação pré-estabelecidos. Caso algum critério não seja satisfeito, as espessuras e/ou camadas são alteradas e os cálculos refeitos. Os critérios que podem ser adotados são os seguintes: deflexão máxima admissível na superfície; diferença de tensões no revestimento; tensão vertical admissível no topo do subleito; tensão e deformação de tração na fibra inferior do revestimento. Note-se que alguns destes critérios se superpõem quanto à finalidade. Na prática alguns poderiam ser dispensados, escolhendo-se um para evitar trincamento por fadiga e outro para prevenir deformações permanentes excessivas. 1. O roteiro de dimensionamento de pavimentos flexíveis proposto pela pesquisadora é apresentado a seguir: 2. ensaiar os materiais disponíveis na região, e o subleito para se obter os modelos de comportamento tensão-deformação, tanto elástico quanto plástico; 3. definir um valor de módulo resiliente para a mistura betuminosa a ser utilizada no revestimento, em função da temperatura média esperada para o revestimento; 4. adotar uma estrutura inicial, definindo que variabilidade será admitida para as espessuras das camadas; 5. calcular o estado de tensão-deformação atuante na estrutura composta com cada material disponível (caso exista mais de uma jazida ou opção de material); 6. comparar as tensões-deformações calculadas com critérios de rupturas estabelecidos. Definir o grau de confiabilidade a ser adotado em função da importância da obra; [email protected] 38 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 7. se as espessuras adotadas conduzirem a valores não superiores aos admissíveis segundo os critérios de fadiga e deformação permanente, dar por concluído o dimensionamento. Caso algum dos critérios não seja satisfeito, alterar as espessuras e refazer os cálculos; 8. após dimensionada a estrutura do pavimento pode-se verificar o afundamento de trilha de roda provável, para o número N de projeto, desde que se conheçam as leis de variação da deformação permanente com a repetição das cargas. O valor máximo recomendado é de 16 mm. Os fatores ambientais (umidade de equilíbrio e temperatura de serviço) deverão ser levados em conta na execução dos ensaios de laboratório. Em seu método de dimensionamento de pavimento flexível, considerou como um dos critérios de ruptura, o afundamento máximo de trilhas-de-roda igual a 16 mm. A autora propõe em seu método de dimensionamento a seguinte equação para limitar a tensão vertical de compressão no topo do subleito: v max 0,006 M Rsubleito kgf / cm 1 0,7 log N 2 Onde vmax =tensão vertical de compressão admissível no topo do subleito MRsubleito =Módulo de resiliência médio do subleito [email protected] 39 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 5 O USO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS O uso de pavimentos flexíveis para superfície de rolamento de rodovias, ruas e avenidas é uma técnica bastante consolidada. Várias técnicas de dimensionamento que vão desde o conceito empírico até o conceito mecanístico têm sido utilizadas para este tipo de pavimento, o que colabora com que os resultados sejam cada vez mais satisfatórios. Percebe-se, entretanto, que determinados tipos de fundações não apresentam desempenho adequado para a utilização de pavimentos flexíveis, principalmente em se tratando de terrenos com subleito deformável. Sabe-se, ainda, que os pavimentos flexíveis normalmente são projetados para um ciclo de vida relativamente limitado, necessitando que contínuas atividades de manutenção sejam realizadas para que seja garantido um desempenho satisfatório do pavimento ao longo da sua vida de projeto. Neste contexto, salienta-se a necessidade de se utilizar outras técnicas na pavimentação urbana e rodoviária que permitam outra lógica de investimento e funcionalidade. Dentre estas técnicas, destacam-se os pavimentos rígidos de concreto, que são conhecidos principalmente pela elevada durabilidade quando comparados aos pavimentos flexíveis. Nos dias atuais, em que cada vez mais ficamos atrelados ao uso de automóveis ou transporte público para locomoção, a interdição das vias públicas pode causar danos consideráveis de custos aos usuários destas vias, às entidades governamentais e às empresas privadas prestadoras de serviços rodoviários. Rodovias de alto volume de tráfego, corredores de ônibus, pontes e viadutos são fiéis exemplos de estruturas que não devem ser interditadas, devendo-se minimizar a realização de atividades de manutenção. Os pavimentos de concreto apresentam vantagem quando utilizados em regiões de subleito deformável devido ao fato de este manter a sua integridade. Tendo em vista a sua elevada rigidez combinada com a ampla área em que as placas de concreto estão apoiadas, os esforços atuantes nos pavimentos rígidos são geralmente absorvidos pela própria placa de concreto, o que garante que pequenas deformações ou variações na resistência do subleito não afetem o desempenho global da estrutura. O grande impedimento do uso massivo dos pavimentos rígidos para pavimentação consiste, sobretudo, no elevado custo inicial de construção. Sabe-se, no entanto, que quando análises de custo em termos de longa duração são realizadas juntamente com os trabalhos de projeto e de construção, o gasto total para um certo intervalo de tempo pode se equivaler, ou ainda, tornar-se inferior ao do pavimento flexível, dependendo das várias condições de projeto. Isto ocorre principalmente pelo fato de que as atividades de manutenção, quando existentes nos pavimentos rígidos, são menores que as observadas nos pavimentos flexíveis. Acrescenta-se também neste cenário o aumento do preço do petróleo em escala mundial, o que leva a um aumento considerável do custo de construção de pavimentos flexíveis, o que traz cada vez mais os custos de pavimentos alternativos frente aos asfálticos a patamares competitivos. Conceitos de sustentabilidade, redução de emissão de CO2, responsabilidade social e com o meio ambiente, trazem estas técnicas para um grupo promissor de investimentos futuros. [email protected] 40 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 5.1 FATOS HISTÓRICOS SOBRE O PAVIMENTO RÍGIDO De acordo com Pasko Jr. (1998), acredita-se que a primeira aplicação de longa duração de pavimentos rígidos aconteceu em 1894 em Bellefontaine, Ohio, nos Estados Unidos, e que ainda hoje pode ser encontrada. Outras tentativas também foram desenvolvidas na Escócia em 1879 e em Nova Iorque nos Estados Unidos, em 1893, mas ambos pavimentos deterioraram rapidamente. Ainda de acordo com o mesmo autor, os primeiros pavimentos consistiam de placas quadradas com 150 mm de espessura medindo de 1,8 m a 2,4 m de cada lado, que era basicamente determinado pelos equipamentos disponíveis para a produção do concreto. Quando novas tecnologias foram desenvolvidas para o aprimoramento dos equipamentos para a produção e lançamento do concreto, as placas começaram a se tornar maiores e mais espessas. Em 1917 foi utilizado pela primeira vez o sistema de barras de transferência de esforços entre placas de concreto, em Virgínia, nos Estados Unidos, o que levou ao surgimento de uma série de novas seções transversais, juntas e esquemas de reforço. Já em 1950, consolidou-se o uso de pavimentos continuamente armados principalmente pela vantagem de reduzir os esforços atuantes nas juntas entre placas de concreto. Até então, embora tenha ocorrido um grande aperfeiçoamento das técnicas de construção dos pavimentos rígidos, os resultados eram ainda bastante obsoletos, e somente começaram a se tornar promissores no instante em que equipamentos apropriados para a produção e lançamento do concreto foram desenvolvidos, principalmente com relação às vibro-acabadoras. Na seqüência do desenvolvimento dos pavimentos rígidos, começou a se perceber os possíveis problemas que poderiam ocorrer com esta técnica de pavimentação, como a fissuração e quebra dos extremos das placas de concreto, que foi solucionado com o posterior aumento da espessura das placas nestes extremos. Além disso, com o surgimento do automóvel em 1908, as rodovias passaram a comportar duas faixas de trânsito, e percebeu-se o aparecimento de trincas longitudinais entre as faixas, que foi solucionado com a colocação de um eixo de menor espessura entre as placas. Nos anos de 1930, quando se passou a se utilizar sais para descongelamento nas rodovias nos países mais frios, verificou-se que grande parte dos pavimentos apresentou perda de massa na superfície e constante deterioração. Foi necessário que pesquisas na área da tecnologia do concreto fossem desenvolvidas para determinar o motivo de tal deterioração precoce. Percebeu-se que a formação de bolhas de ar no concreto, quando não interligadas, pode favorecer à melhoria da durabilidade de concretos sujeitos à ação do gelo e degelo (American Concrete Pavement Association, 2009). Entre 1920 e 1930 as placas de concreto eram concretadas diretamente sobre o solo de contato e apenas uma pequena camada superior do solo era removida como preparação para receber o pavimento. Problemas começaram a aparecer quando caminhões de peso consideravelmente superior ao dos automóveis começaram a trafegar nas rodovias, o que levou ao aparecimento do fenômeno conhecido como bombeamento de finos e a conseqüente ruptura das placas. Como solução a este problema, passou-se a se utilizar sub-base de material granular, geralmente formada por areia, brita e, em alguns casos, [email protected] 41 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 escória. Posteriormente passou-se a se utilizar sub-base tratada com cimento, que foi rapidamente difundida (American Concrete Pavement Association, 2009). Nos dias atuais percebe-se um aumento considerável das técnicas para pavimentos de concreto, bem como dos procedimentos para projeto destes pavimentos. O avanço da tecnologia do concreto, dos métodos computacionais de dimensionamento, bem como dos equipamentos para a construção dos pavimentos de concreto contribuíram para que as estruturas sejam cada vez mais funcionais e duráveis. 5.2 PRINCIPAIS TIPOS DE PAVIMENTOS RÍGIDOS Os pavimentos rígidos podem ser divididos em quatro categorias principais de acordo com a Portland Cement Association (1984), sendo que um quinto tipo de pavimento é também descrito por Yoder e Witczak (1975) e Delatte (2008). PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLES: Estes pavimentos não apresentam armaduras na sua estrutura tampouco barras de transferência de esforços entre placas. Os esforços entre as placas são transmitidos através da interligação entre os agregados do concreto, que acontece abaixo das juntas serradas. Para que tal tipo de pavimento seja eficaz, é necessário que as placas apresentem tamanhos menores aos comumente utilizados (menores que 4,6 m). Esta categoria de pavimentos encontra-se em desuso atualmente devido à melhor eficácia dos outros tipos de pavimentos rígidos. Este tipo de pavimento é geralmente utilizado em rodovias com baixo volume de tráfego ou em locais onde uma sub-base cimentada é utilizada entre a placa de concreto e o subleito (Yoder and Witczak,1975). PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLES COM JUNTAS E BARRAS DE TRANSFERÊNCIA DE ESFORÇOS (JPCP – Jointed Plain Concrete Pavement): Este tipo de pavimento não possui armadura nas placas, e a transferência de esforços entre placas contíguas é feita por meio da utilização de barras de aço. Para controlar o aparecimento de fissuras, procura-se evitar um grande espaçamento entre as juntas (não maiores que 6,0 m). A Figura 3 mostra os principais componentes deste tipo de pavimento, enquanto que a Figura 4 mostra a construção de uma rodovia de concreto com juntas e barras de transferência. [email protected] 42 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Concreto Juntas longitudinais Juntas transversais Espessura do pavimento Barra de ligação Barras de transferência Sub-base Base Subleito Figura 3 – Principais componentes de um pavimento de concreto com juntas. Figura 4 – Pavimentos de concreto simples com barras de transferência. PAVIMENTOS DE CONCRETO ARMADO COM JUNTAS E BARRAS DE TRANSFERÊNCIA DE ESFORÇOS (JRCP – Jointed Reinforced Concrete Pavement): Esta técnica de pavimentação consiste na utilização de armadura próxima às juntas com a finalidade de evitar a propagação de trincas transversais que geralmente aparecem neste local. Desta maneira, o espaçamento entre as juntas pode ser consideravelmente superior aos das técnicas com concreto simples, descritos anteriormente (aproximadamente 12,0 m). A armadura utilizada neste tipo de pavimento somente exerce a função de evitar a abertura de fissuras, sendo que os esforços de flexão causados pela passagem do tráfego continuam sendo absorvidos unicamente pelo concreto. Este tipo de pavimento não é muito utilizado nos dias atuais. PAVIMENTOS CONTINUAMENTE ARMADOS (CRCP – Continuously Reinforced Concrete Pavement): Este tipo de pavimento é construído sem a utilização de juntas transversais devido à massiva utilização de armadura tanto longitudinalmente quanto transversalmente, que [email protected] 43 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 evita a propagação de fissuras (Figura 5). É geralmente utilizado em rodovias de alto volume de tráfego e para pavimentação urbana. Figura 5 – Pavimento continuamente armado de concreto. De acordo com o DNIT (2005), este tipo de pavimento geralmente apresenta armadura disposta na parte inferior da placa para suportar as solicitações oriundas no tráfego, e de armadura disposta na parte superior da placa, utilizada para absorver os esforços de retração e empenamento. Delatte (2008), por sua vez, explica que da mesma forma que nos pavimentos de concreto aramado com juntas e barras de transferência de esforços, a armadura é necessária apenas para evitar a propagação das fissuras, sendo os esforços oriundos do tráfico resistidos pela resistência à tração do concreto. A grande vantagem deste método é a diminuição da espessura quando comparado com as técnicas de pavimentos de concreto simples, maior espaçamento entre as juntas, que conseqüentemente diminui as atividades de manutenção, além de serem mais resistentes aos esforços de fadiga. PAVIMENTOS DE CONCRETO PROTENDIDO: Exigem mão-de-obra de alta qualificação e por esta razão praticamente descarta-se sua utilização. Além disso, também alguns cuidados na construção, como por exemplo o tipo de ancoragem das placas, possível flambagem após liberação da ancoragem e a construção de juntas adequadas entre as placas. Apesar destas dificuldades, o uso deste tipo de técnica para pavimentação pode ser viável em situações de escassez de material de construção (Yoder e Witczak, 1975). Em geral, o uso de determinado tipo de pavimento rígido depende basicamente da quantidade de tráfego esperado para a rodovia, do tamanho das placas de concreto e da presença ou não de sub-base entre o pavimento e o solo. Novas técnicas para pavimentos de concreto têm sido desenvolvidas com a finalidade de se adaptar as técnicas convencionais às mudanças do mundo moderno. Dentro desta nova visão, busca-se a preservação do meio-ambiente, a redução de custos, a melhoria da qualidade dos pavimentos e da otimização do uso dos recursos disponibilizados, bem [email protected] 44 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 como a busca pela maior durabilidade. As novas técnicas de pavimentação estão descritas em detalhe no item 4. 5.3 TIPOS DE JUNTAS EM PAVIMENTOS DE CONCRETO O desempenho dos pavimentos de concreto depende significativamente do desempenho satisfatório de suas juntas. Sabe-se que muitas das falhas que ocorrem em pavimentos de concreto são devidas a problemas na juntas de ligação, tais como o bombeamento de finos, o desplacamento do concreto e a quebra de cantos. Para que seja garantido o bom desempenho das juntas, deve-se providenciar um sistema adequado de transferência de carga, bem como de garantir a consolidação do concreto. A selagem das juntas deve-se verificada e trocada sempre que necessário, independente do material utilizado. Os pavimentos rígidos podem apresentar os seguintes tipos de juntas de ligação, sendo cada uma delas com função e localização distinta no pavimento (Yoder e Witczak, 1975 e Delatte, 2008). Juntas de contração: As juntas de contração são o principal tipo de junta dos pavimentos de concreto, e tem por finalidade principal aliviar as tensões provenientes da contração e empenamento do concreto causado pelo processo de hidratação do cimento, das cargas de tráfego e do ambiente. As tensões de expansão não são aliviadas com este tipo de junta. Elas podem ser serradas ou formadas através da colocação de um material qualquer para marcação do local e da abertura enquanto o concreto ainda se encontra no estado fresco, sendo o material removido logo após o início da pega. Nos pavimentos rígidos submetidos a cargas leves geralmente, a transferência de carga se dá através da interligação dos agregados, enquanto que nos pavimentos submetidos a cargas pesadas, utiliza-se barras de aço para garantir a transferência de carga entre as placas. O desempenho das juntas de contração se dá através do espaçamento entre as juntas, da transferência de carga através da junta, do tipo de junta e das propriedades do selante. Juntas de expansão: As juntas de expansão devem permitir a expansão do pavimento de tal forma que esta não cause danos nas estruturas adjacentes ou no próprio pavimento. As juntas de expansão devem cortar o pavimento em toda a espessura da placa de tal maneira a permitir os movimentos de expansão das placas. Este tipo de junta não apresenta interligação dos agregados, e por este motivo faz-se necessário a utilização de barras de transferência de cargas. O principal problema deste tipo de junta é a formação de zonas de bombeamento de finos, que podem ser minimizados por meio de constantes trocas de material selante. [email protected] 45 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Devido à maior vulnerabilidade das juntas de expansão (pela sua maior susceptibilidade à entrada de água e de agentes agressivos), as mesmas podem ser eliminadas quando existir um número suficiente de juntas de contração. Juntas de construção: As juntas de construção são necessárias para garantir a transição de concretos mais antigos ao concreto novo, como por exemplo, ao final de cada dia de concretagem. Estes tipos de juntas requerem o uso de barras de transferência de esforços entre as placas. As juntas de construção devem sempre substituir uma junta planejada de contração. [email protected] 46 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 6 PROJETO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS A construção de pavimentos de concreto, quando da sua origem, era baseada em técnicas empíricas, ou seja, com base nos erros e acertos observados com a construção de trechos reais. As primeiras equações que governaram o cálculo de tensões em placas de concreto foram desenvolvidas por Westergaard em 1926, sendo esta uma teoria considerada teóricoempírica. Apesar de algumas incoerências percebidas nas equações propostas, ainda hoje o modelo é usado como base para cálculo de modernos pavimentos de concreto. Os primeiros modelos para o cálculo de pavimentos eram baseados na consideração de uma carga estática para simulação das rodas dos automóveis. O modelo pioneiro de Westergaard considerava a ação de apenas uma única carga atuando no pavimento, sendo a consideração de um eixo duplo de rodas feito através de simplificações. Com o passar do tempo passou-se a se considerar o efeito do tráfego para o cálculo de dimensionamento. O desenvolvimento de equipamentos mais eficazes que garantiram o uso de pavimentos de concreto em grande escala, aliado ao desenvolvimento de pesquisas na área e aos programas computacionais que permitem cálculos e análises complexas, permitiram uma mudança do cenário na construção dos pavimentos rígidos, partindo-se de análises simplificadas para análises teóricas mais detalhadas. A seguir são abordados os princípio de dimensionamento de pavimentos rígidos desde o método pioneiro de Westergaard em 1926 até as atuais metodologias empregadas nos dias de hoje no Brasil e no mundo. É feito um apanhado dos principais procedimentos de dimensionamento, descrevendo suas premissas e limitações. 6.1 MÉTODO PIONEIRO DE WESTERGAARD (1926) Em 1926 foi lançado o primeiro modelo teórico-empírico de Westergaard, cujas equações foram baseadas da Teoria Elástica de Placas concebidas por Kirchoff e Poisson. Deste primeiro modelo, definiu-se o conceito de “módulo de reação do subleito”, cuja representação era feita através de molas idênticas que simulavam o subleito (através de um líquido denso e contínuo), e que não apresentavam transmissão de esforços de cisalhamento entre as mesmas. O modelo pioneiro não apresentava a transferência de carga nas juntas entre placas de concreto simples. Embora sua teoria seja baseada em um modelo linear, percebe-se nas equações propostas pelo autor que, quando aumentada a carga de forma linear, as tensões não aumentavam da mesma forma. Reconhece-se a importância das equações de Westergaard para o dimensionamento de pavimentos rígidos, principalmente pelo pioneirismo do seu trabalho. Entretanto, sabe-se que seu trabalho possui algumas limitações, algumas atestadas pelo próprio autor (Balbo, 2003): [email protected] 47 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 as equações iniciais não consideravam o efeito da variação da temperatura nas placas (Posteriormente, Westergaard atualizou os modelos iniciais e lançou o cálculo pioneiro de tensões provocadas com o empenamento devido ao gradiente térmico); suas equações consideravam uma única espessura, e portanto, não era possível de se calcular o efeito das bordas mais espessas que as placas (comumente utilizada para reduzir a deterioração observada nas bordas das placas); sua teoria era válida apenas para subleitos contínuos e com determinada rigidez; não considerava os esforços de cisalhamento entre as placas; não considerava efeitos dinâmicos nos pavimentos; aplicável somente à placas grandes; aplicável somente à um único ponto de carga com área de contato circular As principais equações que permitem o cálculo das tensões nas placas de concreto estão descritas na seqüência: 𝜎= 𝜎= 𝜎= 0,316×𝑄 2 0.803×𝑄 2 3×𝑄 2 × 𝑙𝑜𝑔 × 𝑙𝑜𝑔 × 1− 𝑙 4 𝑏 𝑙 4 𝑏 𝑎 2 + 1,069 [N/mm²] + 0,666 𝑎 𝑙 (1) − 0,034 [N/mm²] (2) 0,6 [N/mm²] 𝑙 (3) Onde: b= raio equivalente da seção resistente efetiva: b = 1,6 × a + h2 [mm] 0,5 − 0,675 × h a= raio da carga distribuída [mm] h= espessura da placa de concreto [mm] Q= carga total aplicada sobre a área carregada [N] l= raio de rigidez relativa, relação entre o raio de rigidez da placa e o módulo de reação do subleito k (l = E×h 3 4 12× 1−μ 2 ×k ) Cada uma das equações acima mencionadas refere-se a um posicionamento específico da carga na placa de concreto, como mostra a Figura 6. O ponto a) refere-se ao posicionamento da carga no centro da placa (equação 1) – Carregamento interior –, o ponto b) refere-se à transmissão de carga na borda da placa (equação 2) – Carregamento de borda – e o ponto c) refere-se à roda posicionada no canto da placa (equação 3) – Carregamento de canto . [email protected] 48 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Figura 6 – Diferentes posições de carregamento, de acordo com Westergaard. As fórmulas pioneiras de Westergaard são ainda utilizadas atualmente. Percebe-se, também, que muitos autores propuseram novos modelos para o cálculo das tensões nas placas de concreto, embora grande parte deles tenham se baseado em adaptações das fórmulas de Westergaard. O modelo de Westergaard, como já mencionado, é válido somente para placas de tamanho grande, como se pode perceber pelo fato de não haver consideração da largura e do comprimento da placa nas equações mostradas acima (1, 2 e 3). Para que as fórmulas sejam aplicadas corretamente é necessário que as dimensões horizontais da placa sejam da ordem de oito vezes o raio de rigidez relativa “l”. Embora a maioria dos pavimentos de concreto construídos nos dias atuais não apresente tal geometria, as fórmulas de Westergaard ainda são utilizadas para o seu dimensionamento (Wiggenraad, 2007). 6.2 ÁBACOS DE PICKETT E RAY (1951) Os ábacos de Pickett e Ray (1951) seguiram a mesma idéia de Westergaard, considerando-se o valor do Poisson como 0,15 para a placa de concreto. Esta teoria foi amplamente difundida no dimensionamento de pavimentos aeroportuários. Os ábacos eram utilizados com o princípio de se encontrar as tensões (a partir dos momentos) e os deslocamentos no interior e nos cantos das placas de concreto. A vantagem desta teoria é que ela permite a consideração de qualquer área de contato entre a carga e a placa, além de permitir também a consideração de mais de um ponto de carga atuando no pavimento (a consideração de um eixo duplo de rodas de carro, por exemplo). O cálculo das tensões e deslocamentos obedecia às seguintes equações: Tensão = 6×M h2 [N/mm²] Deslocamento = 0,0005 ×p×l 4 ×N [email protected] D (4) [mm] (5) 49 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Onde: p×l 2 ×N M= momento calculado e obtido através dos ábacos: M = h= espessura da placa de concreto [mm] p= tensão de contato da carga de roda - P [N/mm²] l= raio de rigidez relativa, relação entre o raio de rigidez da placa e o módulo de reação do subleito k (l = D= E×h 3 4 12× 1−μ 2 ×k 10000 ) [mm] E×h 3 módulo de rigidez da placa de concreto: D = 12 1−μ 2 O valor de N é obtido através dos ábacos, levando-se em consideração o valor e o número das áreas de contato. Os ábacos diferenciam-se quando são consideradas cargas na borda ou no interior da placa, além de diferenciarem-se entre o cálculo das tensões e dos deslocamentos (Figura 7 a Figura 10). Figura 7 – Ábaco para o cálculo dos deslocamentos devido à carga posicionada no interior da placa. [email protected] 50 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Figura 8 – Ábaco para o cálculo dos deslocamentos devido à carga posicionada na borda da placa. Figura 9 - Ábaco para o cálculo dos momentos devido à carga posicionada no interior da placa. [email protected] 51 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Figura 10 – Ábaco para o cálculo dos momentos na borda devido à carga posicionada na vizinhança da borda da placa. 6.3 MÉTODO DA PCA (1966) O método descrito pela PCA (1966) trata-se de uma padronização dos estudos realizados anteriormente por Westergaard (1926) e Pickett e Ray (1951). A PCA propõe ábacos baseados no trabalho de Pickett e Ray que foram desenvolvidos após manipulação computacional. Passou-se a se considerar neste método de dimensionamento as tensões causadas por eixos simples de rodas duplas e eixos tandem duplos (compostos de dois eixos simples de rodagem dupla). A grande novidade deste método baseia-se na consideração dos efeitos de fadiga nos pavimentos de concreto, que foram baseados no estudo de Hilsdorf e Kesler (1966), que simularam o efeito de cargas dinâmicas em prismas de concreto. Os autores perceberam que níveis de tensão menores que 50% da carga estática máxima, quando aplicados em corpos-de-prova prismáticos, não provocavam efeitos de deterioração causada por fadiga nos pavimentos de concreto. É também explicado no método que a vida de fadiga pode ser prolongada se ocorrer um período de descanso entre a passagem de cargas nas rodovias e também caso a passagem das cargas de tráfego apresentem níveis de tensão menores do que 50% da capacidade de carga estática. Com relação ao dimensionamento referente a cargas de fadiga, o código lança mão do termo “consumo de resistência à fadiga CRF”, que significa uma relação percentual entre o número previsto de repetições de uma dada carga e o número admissível de repetições da mesma carga. Faz-se então o somatório de todos os CRF individuais, considerando-se todas as categorias de eixos, e obtêm-se o consumo total de resistência à fadiga para uma [email protected] 52 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 dada espessura de concreto. A confirmação da espessura acontece quando o somatório for inferior a 100%. Apesar da consideração de evolução do efeito de tráfego no dimensionamento, o método apresenta algumas limitações, como por exemplo, o fato de apenas considerar para o cálculo concretos com modulo de elasticidade em torno de 28000 MPa. O método da PCA de 1966 é utilizado como base para normas de dimensionamento de pavimentos de concreto de vários países, entre eles o Brasil. 6.4 MÉTODO DA PCA (1984) Apesar de este método ser de autoria do mesmo órgão que lançou o método de dimensionamento em 1966, o mesmo apresenta profundas modificações quando comparado com a sua versão anterior, principalmente pelo fato de ser considerado um método de dimensionamento mecanístico de pavimentos de concreto. Além dos efeitos de fadiga, o método de 1984 adiciona o conceito de falha por erosão, o dimensionamento das barras de transferência nas juntas entre placas, o cálculo de pavimentos continuamente armados e a necessidade ou não da utilização de sub-base de concreto magro. O método também acrescentou a contribuição de acostamentos de concreto para melhoria do desempenho da estrutura – caso que reduz grandemente a existência de uma área de recalque diferencial pela presença de diferentes materiais, que freqüentemente levam ao desenvolvimento de uma zona de fraqueza pela abertura das juntas e conseqüente promoção da liberação de finos na região. Este efeito de erosão acontece quando a ação de cargas elevadas nos cantos, bordas e juntas das placas, combinada com a presença de água, provocam deformações verticais críticas naquelas regiões (com o início do aparecimento de degraus) levando ao aparecimento do fenômeno de bombeamento de finos, falhas e danos nos acostamentos, que não podem ser relacionados aos efeitos da fadiga. O modelo de erosão descrito no método está baseado no grau de escalonamento (grau do dano causado pela erosão), da intensidade do tráfego e da espessura do pavimento. Entretanto, sabe-se que os fatores climáticos, bem como a eficiência da drenagem, também apresentam responsabilidade para o cálculo adequado da erosão dos pavimentos, e que não é abrangido no método. A parte teórica proposta pelo método é baseada numa análise detalhada das tensões e deformações através do método dos elementos finitos, o que difere profundamente do método anterior, que era baseado no cálculo de placas com suporte contínuo. O programa utilizado era capaz de modelar os fatores de dimensionamento por meio das propriedades do concreto, suporte da fundação, cargas, transferência de carga por meio de barras de transferência ou interligação entre os agregados e acostamentos de concreto, para posicionamento da carga no interior, borda, junta e canto da placa. O período de vida útil estimado pelo método é de aproximadamente 20 anos, podendo ser menos se os materiais não tiverem a qualidade adequada ou a construção não ter sido efetuada de acordo com os padrões exigidos, ou ainda, o tráfego ser maior do que aquele [email protected] 53 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 planejado inicialmente. O período pode ser estendido para mais de 40 anos se cuidados forem tomados no dimensionamento e construção dos pavimentos. A inclusão dos efeitos de tráfego está focada principalmente para o tráfego de caminhões, que são os principais responsáveis pela deterioração e conseqüente fim da vida útil dos pavimentos de concreto. Fatores de segurança passaram a ser incorporados considerando-se um maior fator nas rodovias onde o tráfego é intenso e com grande volume de caminhões. O método mostra procedimentos de dimensionamento considerando-se ou não a disponibilidade de dados da configuração das cargas atuantes no pavimento. 6.5 GUIA DA AASHTO (1993) E SUPLEMENTO (1998) O guia da AASHTO (1993 e 1998) é considerado por muitos autores como um dos principais e mais completos guias de projeto de pavimentos já lançado, incluindo-se tanto os pavimentos flexíveis quanto os pavimentos rígidos. Entretanto, reconhece-se que o método é baseado em teorias essencialmente empíricas de dimensionamento. As equações de dimensionamento são baseadas sobretudo na regressão dos resultados obtidos durante dois anos em uma pista experimental, localizada em Ottawa, Illinois, no final dos anos 50 pela extinta AASHO (que passou para a atual AASHTO). Estes testes são baseados em uma simulação acelerada de tráfego de 20 anos em um período de 2 anos, e por isso, sucessivas modificações do Guia foram lançadas com base em fatores de ajustes, obtidos a partir de análises mecanísticas. A equação-base para o dimensionamento da espessura dos pavimentos de concreto, de acordo com o guia, é a seguinte (em unidades americanas): log10 W18 = ZR So + 7,35 log10 𝐷 + 1 − 0,06 + ∆𝑃𝑆𝐼 4,5−1,5 1,624 ×10 7 1+ 𝐷 +1 8,46 𝑙𝑜𝑔 10 𝑆𝑐′ 𝐶𝑑 𝐷 0,75 −1,132 0,32𝑝𝑡 × 𝑙𝑜𝑔10 215,63𝐽 𝐷 0,75 − + 4,22 − (6) 18 ,42 𝐸 𝑐 0,25 𝑘 Onde: W18= tráfego em ESALs (carga equivalente de eixo simples – do inglês Equivalent Single Axle Load) ZR= desvio padrão normal para uma determinada confiabilidade So= desvio padrão global D= espessura do pavimento [in] ΔPSI= mudança do índice de serventia ∆𝑃𝑆𝐼 = 𝑝𝑜 − 𝑝𝑡 [email protected] 54 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 po= índice de serviço inicial pt= índice de serviço final S’c= resistência à flexão do concreto [psi] Cd= coeficiente de drenagem J= coeficiente de transferência de carga Ec= módulo de elasticidade do concreto 𝐸 = 57000 𝑓𝑐′ [psi] k= módulo de reação do subleito [psi/in] A equação acima descrita não se trata de uma equação de solução direta, sendo muitas vezes necessário o uso de programas computacionais, ou de várias iterações até que seja obtida a convergência para o valor da espessura da placa (através do método manual de tentativas). O guia apresenta a base para a obtenção dos vários parâmetros da equação acima, assim descritos: O efeito do tráfego (parâmetro W18) é considerado no guia através do conceito de equivalência de eixos, baseado num tráfego misto de eixos simples, tandem e triplos. Os fatores de equivalência são obtidos através de tabelas específicas registradas no método. A confiabilidade da estrutura é creditada na equação através dos parâmetros ZRSo. O valor de ZR pode ser obtido por meio da tabela 1, enquanto que o valor de S o é geralmente obtido com base nas condições locais, e varia entre 0,3 e 0,4. O Guia sugere que 0,39 seja utilizado quando há variabilidade no tráfego e 0,34 quando não há variabilidade. Tabela 1 – Confiabilidade e desvio padrão normal ZR [fonte: AASHTO, 1993] Classificação Funcional Grau de confiabilidade recomendado Urbano Interestadual e outras freeways Rural Percentagem ZR Percentagem ZR 85 – 99,9 -1,037 80 – 99,9 -0,841 -3,75 Arteriais principais 80 – 99 -0,841 -3,75 75 – 95 -2,327 Coletoras 80 – 95 -0,841 -1,645 75 – 95 -1,645 Vicinais 50 – 80 0 -0,841 [email protected] -0,674 -0,674 -1,645 50 – 80 0 -0,841 55 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Os índices de serventia (PSI – Present Serviceability Index) inicial e final dependem em quanto suave o pavimento poderá ser construído e em quando os órgãos consideram a necessidade de reabilitação, respectivamente. De acordo com o Guia da AASHTO, o índice de serventia inicial deve ser igual a 4,5 enquanto que o índice final é dado por 2,0, 2,5 e 3,0, que significam que 85, 55 e 12% (respectivamente) das pessoas consideram que o pavimento está condenado. A resistência do concreto à flexão é dada pelo valor da resistência aos 28 dias obtida através de ensaio de flexão em três pontos. O coeficiente de drenagem varia de 0,70 a 1,2 (muito ruim à excelente), de acordo com a tabela 2. Já o coeficiente de transferência de carga varia de 2,3 a 4,4 e depende se barras de transferência são usadas ou não, se o acostamento é de asfáltico ou concreto, e do tipo de pavimento utilizado, como mostra a tabela 3. Tabela 2 – Coeficiente de drenagem Cd [fonte: AASHTO, 1993] Qualidade da drenagem Percentagem de tempo de exposição à níveis de umidade que se aproximam da condição de saturação <1% 1 – 5% 5 – 25% >25% Excelente 1,25 – 1,20 1,20 – 1,15 1,15 – 1,10 1,10 Bom 1,20 – 1,15 1,15 – 1,10 1,10 – 1,00 1,00 Regular 1,15 – 1,10 1,10 – 1,00 1,00 – 0,90 0,90 Pobre 1,10 – 1,00 1,00 – 0,90 0,90 – 0,80 0,80 Muito pobre 1,00 – 0,90 0,90 – 0,80 0,80 – 0,70 0,70 Tabela 3 – Coeficiente de transferência de carga J de acordo com o tipo de pavimento [fonte: AASHTO, 1993] Tipo de Pavimento Acostamento Asfalto Concreto Existência de barras de transferência Sim Não Sim Não JPCP, JRCP 3,2 3,8 – 4,4 2,5 – 3,1 3,6 – 4,2 CRCP 2,9 – 3,2 - 2,3 – 2,9 - De acordo com o método da AASHTO, a principal propriedade para caracterizar o subleito é o módulo resiliente MR, que é uma propriedade elástica do solo. Entretanto, para o cálculo de pavimentos de concreto faz-se necessário o conhecimento do módulo de reação do subleito k, que pode ser correlacionado com o MR através por meio de equações e ábacos explicados no método. [email protected] 56 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 6.6 O GUIA DA AASHTO 2002 Este método é baseado em procedimentos de cálculo de projeto fundamentados em uma análise empírico-mecanístico, e vem de substituição ao guia anterior da AASHTO (1993). O Guia de Projeto de Pavimentos Empírico-Mecanístico foi elaborado pelo Projeto NCHRP (National Cooperative Highway Research Program) 1-37(A) e é largamente difundido como Guia AASHTO 2002, tendo sido oficialmente iniciado sua distribuição em 2008. Além do uso do método dos elementos finitos, o guia da NCHRP lançou mão do uso de redes neurais para o cálculo das tensões e deformações de pavimentos sujeitos ao efeito do tráfego e cargas ambientais (fator não incorporado em métodos anteriores de dimensionamento), o que diminuiu o tempo de processamento de dias para vários minutos. O método apresenta um complexo equacionamento para o dimensionamento de pavimentos rígidos com considerações sobre trincamento, encurvamento de placa, irregularidade, entre outros. Devido à sua complexidade e detalhamento, serão apresentadas neste relatório apenas algumas considerações importantes sobre o guia. Estão descritos no guia os principais procedimentos de dimensionamento para pavimentos continuamente armados (CRCP) e para pavimentos de concreto simples com juntas (JPCP). O método permite a escolha de alguns critérios de desempenho, como: falha nas juntas, fissuração transversal e IRI (Índice Internacional de Rugosidade – do inglês International Roughness Index) para o JPCP e quebra e desplacamento do concreto e IRI para o CRCP. O guia inclui também a possibilidade de se analisar o projeto em termos de estimativa dos custos ao longo da vida útil, proporcionando ferramentas para a tomada de decisões na escolha da melhor técnica a ser utilizada. As condições ambientais durante o período de projeto do pavimento, que antes não eram consideradas nos métodos de dimensionamento, fazem parte dos dados de entrada do procedimento do Guia da NCHRP, sendo elas: temperatura do ar, precipitação, velocidade do vento, percentagem de luz do dia, umidade relativa, profundidade do lençol freático. As diferenças de temperatura devido à radiação solar, associadas às condições críticas de tráfego, podem levar à formação de tensões elevadas nas placas de concreto, como mostra a Figura 11. Figura 11 – Tensões causadas pela diferença de temperatura e condições críticas de tráfego. [email protected] 57 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Faz-se referência no método a possibilidade de se utilizar várias camadas para a composição da estrutura do pavimento, tais como: a camada de concreto, base de asfalto, cimento ou material granular, sub-base de material granular ou estabilizado, uma camada de subleito compactado, seguido do subleito natural. Devido à complexidade de cálculo do método, a AASHTO fará a proposição de um software (MEPDG) o qual irá facilitar o uso do dimensionamento de pavimentos novos. O mesmo encontra-se ainda em fase de conclusão já tendo versões preliminares disponível para uso. No relatório anterior desta pesquisa já fora abordado contendo algumas de suas principais características. 6.7 MANUAL DE PAVIMENTOS RÍGIDOS DO DNIT (2005) O Departamento Nacional de Estradas de Rodagem (DNER), no Brasil, baseia o método de dimensionamento de pavimentos rígidos de concreto simples nos métodos da PCA (1966 e 1984). Já o dimensionamento de concreto estruturalmente armado é baseado no cálculo das tensões através das equações de Westergaard e das cartas de influência de Pickett e Ray, sendo o cálculo estrutural fundamentado nos princípios da Norma Brasileira NBR 6118 (ABNT, 2003). De acordo com o manual, este tipo de pavimento é pouco utilizado no Brasil, sendo a principal aplicação em pátios e algumas aplicações em rodovias. O manual não especifica qual dos métodos de dimensionamento de pavimentos de concreto simples deve ser utilizado (PCA 1966 ou 1984), sendo que este dependente principalmente dos dados disponíveis para o projeto e da experiência regional específica em um dos métodos. Também estão incluídos no manual os procedimentos de cálculo para pavimentos rígidos chamados de “whitetopping”, utilizados para reabilitação de pavimentos asfálticos. As sobre-lajes aplicadas em estruturas de concreto, tais como pontes e viadutos, também são explicadas no manual, bem como o pavimento com peças pré-moldadas de concreto. O manual prevê a utilização de uma camada de sub-base entre a placa de concreto e o subleito, que também recebe o conceito de “fundação” nos pavimentos rígidos. O método descreve detalhadamente os principais tipos de sub-base e proporciona ferramentas suficientes para a escolha correta do tipo de sub-base a ser utilizado. O método de cálculo do DNER prevê também o cálculo detalhado do sistema de drenagem nas rodovias com pavimentos rígidos. 6.7.1 Pavimentos de Concreto Simples Os métodos para dimensionamento de pavimentos simples de concreto, baseados nas publicações da PCA de 1966 e 1984 já foram mencionados anteriormente nos itens 3.3 e 3.4 deste relatório. [email protected] 58 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 6.7.2 Pavimentos de Concreto Estruturalmente Armados O dimensionamento deste tipo de pavimento é realizado com base nos procedimentos da Norma de concreto NBR 6118, utilizando-se como base o estádio III de tensões e deformações. Considera-se o emprego de telas soldadas CA-60 e concreto com resistência superior à 25 MPa. Além dos procedimentos da NBR 6118, são também obedecidas algumas considerações referentes ao dimensionamento de pavimentos, como por exemplo: as juntas de construção devem conter mecanismos de transmissão dos esforços, como as barras de transferência e a interligação entre os agregados; é necessário o uso de sub-base, principalmente as tratadas com cimento; coeficientes de majoração devem ser levados em consideração no índice de suporte da sub-base devido à erosão desta camada; devem-se calcular as tensões de retração devido à temperatura e ao calor de hidratação do concreto sempre que o comprimento das placas excederem 5 m, sendo a armadura colocada na parte superior da placa, e calculada de acordo com a seguinte equação: As = F×L×h 333 [cm²/m] (7) Onde: L= comprimento da placa [m] h= espessura da placa [m] F= coeficiente de atrito entre a placa e a sub-base, geralmente da ordem de 1,5 a 2,0. 6.7.3 Whitetopping Com relação aos pavimentos chamados de whitetopping, de acordo com o manual, o uso desta técnica como reparo estrutural para pavimentos flexíveis não é comum no Brasil. Entretanto, a técnica pode ser uma interessante alternativa quando aplicadas em pavimentos flexíveis com alto grau de deterioração, ou que estejam propensos para deteriorar com mais facilidade devido ao tráfego pesado ou condições ambientais adversas. Segundo o manual, muitas vezes é necessário o emprego de uma camada asfáltica niveladora antes da aplicação da camada de whitetopping. O lançamento do concreto acontece diretamente sobre esta camada, não necessitando de aplicação de colocação de sub-base, pois o pavimento danificado servirá como camada de fundação para a placa de concreto. O cálculo do dimensionamento de pavimentos chamados de whitetopping consiste nada mais do que a determinação do módulo de reação do pavimento existente (coeficiente de [email protected] 59 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 recalque k), e dimensionar a camada de concreto como um novo pavimento rígido, conforme os procedimentos descritos acima. A nova camada de pavimento poderá ser de qualquer um dos tipos de pavimentos rígidos descritos no item 2.2 deste relatório. 6.7.4 Sobre-laje em obras-de-arte As camadas de concreto aplicadas sobre estruturas de concreto, tais como as sobre-lajes em viadutos e pontes, de acordo com o manual, não necessitam de dimensionamento. Sendo a construção baseada em métodos empíricos através da observação do desempenho destes pavimentos. A armação existente nestes pavimentos não apresenta função estrutural, sendo a mesma necessária apenas para combater os efeitos de empenamento e de retração do concreto. Apesar de não existir cálculos específicos para este tipo de pavimento, existem algumas considerações que devem ser obedecidas quando da execução do pavimento: A espessura mínima do pavimento deve ser superior a 80 mm (considerar inclinações transversais para que seja feita a drenagem das águas); a sobre-laje deve estar completamente aderida à base de concreto armado da estrutura por meio de apicoamento e de limpeza com jato de água para remoção de resíduos de nata de cimento e outros detritos; colocação de tela de armação na meia-altura da espessura da laje, distando 50 mm de qualquer borda da placa (juntas de dilatação/contração também são consideradas como bordas do pavimento) – essa armação deve ter 30 x 10 cm de espaçamento entre os fios, cada fio com 6 mm de diâmetro, composto de aço CA60; podem-se anular completamente as fissuras de empenamento quando ao invés de uma camada de tela soldada, forem colocadas duas camadas, cada uma posicionada a 10 mm de distância da superfície e do fundo da sobre-laje. Sabe-se que, de acordo com as recomendações da NBR 6118 para estruturas de concreto, não se pode utilizar cobrimento da armadura inferior a 20 mmm (menor valor considerando-se laje de concreto), e portanto, tal consideração deve ser reformulada; a armação deverá se solidarizar com a laje da estrutura através de chumbadores; as juntas de contração da laje do tabuleiro deverão coincidir com as juntas de contração da sobre-laje, devendo ter inclusive a mesma abertura; outras juntas de contração na sobre-laje deverão ser executadas de tal forma que a distância máxima entre elas não seja superior a 6 m; juntas transversais deverão ser executadas para delimitar as faixas de tráfego na sobre-laje; juntas transversais e longitudinais deverão, a princípio, ser serradas com profundidade de 20 mm e abertura de 3 a 5 mm. Este caso não é válido quando a concretagem não se dá de forma contínua, e nesta situação utiliza-se juntas secas, ou seja, juntas construtivas, sem a necessidade de posterior abertura das juntas; [email protected] 60 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 as características do concreto utilizado na sobre-laje devem ser obedecidas de tal forma que o fck do concreto aos 28 dias não seja inferior a 30 MPa, o consumo de cimento seja superior a 320 kg/m³, a trabalhabilidade em termos de abatimento de tronco de cone seja de 70±10 mm, o teor de ar não seja superior a 5% do volume do concreto, e o diâmetro máximo de agregado não deve ser superior à 1 /3 da espessura da sobre-laje ou 19 mm, utilizando-se o menor valor. 6.7.5 Pavimentos com peças pré-moldadas de concreto Este tipo de pavimento é muito aplicado em locais onde o tráfego é de baixa intensidade e de baixa velocidade (ex.: acostamentos, recuos, pátios, etc.). A tolerância para dimensões das placas de concreto para pavimentos deve atender aos requisitos da Norma Brasileira 9781. O cálculo de dimensionamento empregado para a determinação da espessura destas placas é geralmente o método do CBR, e apenas 50% do total da carga por roda é levado em consideração. A espessura total do pavimento é a seguinte: e= 150+150 P/2 Is +5 [cm] (8) Onde: P= carga por roda [tf] Is= CBR do subleito [%] F= coeficiente de atrito entre a placa e a sub-base, geralmente da ordem de 1,5 a 2,0. Desde valor, desconta 4 cm que devem ser utilizados para o assentamento das peças de concreto (base do pavimento), mais a espessura da placa de concreto, e resta a espessura a ser utilizada para a camada de sub-base. 6.8 MÉTODO INGLÊS – HIGHWAYS AGENCY (2006) O método da Highways Agency (2006) para dimensionamento de pavimentos rígidos está baseado em um procedimento empírico de cálculo, e fundamentado no relatório RR87 do TRL (1987). As espessuras de projeto dos pavimentos estão baseados em quatro classes de rigidez de fundações, sendo que os pavimentos rígidos poderão ser construídos somente quando consideradas as classes de fundação 3 e 4. Classe de fundação 1 ≥ 50 MPa Classe de fundação 2 ≥ 100 MPa Classe de fundação 3 ≥ 200 MPa [email protected] 61 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Classe de fundação 4 ≥ 400 MPa O método prevê que a construção de pavimentos rígidos no UK seja do tipo de concreto continuamente armado (CRCP), normalmente com uma camada de rolamento asfáltico de 30 mm; ou do tipo de base de concreto continuamente armada (CRCB), com uma camada de rolamento asfáltico de 100 mm. O método também permite o uso de pavimentos de concreto simples com juntas (JPCP) e pavimentos de concreto armado com juntas (JRCP), desde que aprovado pela organização competente. A espessura mínima (não considerando a camada de rolamento) deve ser de 200 mm para CRCP e 150 mm para CRCB. Em termos de vida de projeto das estruturas, o método prevê que as rodovias principais, com tráfego pesado e elevado, sejam projetadas para uma vida total de serviço de 40 anos, enquanto que rodovias destinadas a tráfegos mais leves podem ser projetadas para 20 anos, desde que devidamente autorizado pelo órgão competente. As espessuras de projeto dos pavimentos deverão ser calculadas de acordo com o gráfico das Figura 12 (continuamente armado) e com as equações 9 e 10 (com juntas). [email protected] 62 [email protected] Espessura de projeto do pavimento [mm] Base de concreto continuamente armada Classe da Fundação Tráfego [msa] Espessura de projeto do pavimento [mm] Pavimento de concreto continuamente armado PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Figura 12 – Espessura de projeto para pavimento/base continuamente armado. 63 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 𝐿𝑛 𝐻1 = 𝐿𝑛 𝑇 − 3,466𝐿𝑛 𝑅𝑐 − 0,484𝐿𝑛 𝐸 + 40,483 /5,094 (9) 𝐿𝑛 𝐻1 = 𝐿𝑛 𝑇 − 𝑅 − 3,171𝐿𝑛 𝑅𝑐 − 0,326𝐿𝑛 𝐸 + 45,150 /4,786 (10) Onde: R= 8,812 (para 500 mm²/m de armadura); 9,071 (para 600 mm²/m de armadura); 9,289 (para 700 mm²/m de armadura); 9,479 (para 800 mm²/m de armadura) H1= espessura da placa de concreto sem a existência de acostamento (mínimo = 150 mm) [mm] H2= espessura da placa de concreto com a existência de acostamento; 𝐻2 = 0,934𝐻1 − 12,5 [mm] T= tráfego de projeto (máximo = 400 mas) [msa – milhões de eixos padrão, do inglês millions of standard axles] Rc= resistência à compressão média a partir de ensaios em cubos de concreto aos 28 dias [MPa] E= classe de rigidez da fundação (=200 MPa, fundação de classe 3; =400 MPa, fundação de classe 4) [MPa] A Equação 9 é utilizada para pavimentos de concreto sem barras de transferência entre as juntas (ligação por meio da interligação dos agregados), enquanto que a equação 10 é utilizada para pavimentos com barras de transferência entre as juntas. O gráfico da Figura 12 é baseado na resistência à flexão do concreto ff e no número de eixos padrão. O mesmo é válido para pavimentos com acostamento de concreto. Para o caso de não haver acostamento, deve-se aumentar 30 mm na espessura da placa. As fundações devem ser compostas de pelo menos 150 mm de material não granular. Outras considerações também são feitas no método: A área de aço para controle das fissuras longitudinais (em CRCP) deve ser 0,6% da área da seção transversal da placa de concreto; A área de aço para controle das fissuras longitudinais (em CRCB) deve ser 0,4% da área da seção transversal da placa de concreto; A resistência do concreto à flexão deve ser superior a 5,5 MPa. [email protected] 64 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 7 NOVAS TÉCNICAS DE PAVIMENTOS RÍGIDOS A engenharia civil tem passado por vários avanços principalmente no decorrer do último século. O resultado disso são construções cada vez mais rápidas, maiores e mais duráveis. Nos pavimentos de concreto este cenário não foi diferente. Percebe-se que muitos dos grandes centros de pavimentação estão pesquisando novas alternativas para a melhoria da qualidade, do desempenho e da durabilidade dos pavimentos de concreto, também associados à procura pela redução de custos. Outro assunto que tem sido o foco das atenções na construção civil é a inclusão do termo “sustentabilidade” no dicionário da área. A busca por novos materiais, capazes de produzir menos energia e liberar menos poluentes, também associados com a questão da reutilização de resíduos, tem sido uma busca permanente nos centros de pesquisas. A pavimentação é considerada uma das áreas mais promissoras da engenharia civil em termos de promover a sustentabilidade, dado o grande tamanho das obras e conseqüente capacidade de absorção de resíduos. A grande desvantagem do uso destas novas técnicas para pavimentos rígidos está voltada na escassez de metodologias de dimensionamento específica para cada técnica. Algumas das novas técnicas utilizadas para pavimentos de concreto estão detalhadas na seqüência. 7.1 PAVIMENTOS DE CONCRETO REFORÇADOS COM FIBRAS DE AÇO O uso de fibras em concreto não é uma prática tão nova, apesar da sua recente propulsão. Fibras vêm sendo incorporadas ao concreto há mais de um século com a finalidade de melhorar algumas das propriedades fracas do concreto, tais como o aumento da resistência à flexão e à tração, melhoria da tenacidade, diminuição da retração, melhoria da capacidade de resistir aos esforços de fadiga e contribuição no controle da propagação de fissuras (Figura 13). Figura 13 – Fissuração em concreto com e sem adição de fibras, respectivamente. Existem atualmente várias fibras que podem ser adicionadas ao concreto de várias origens diferentes: naturais (vegetal ou mineral) e sintéticas (que passaram por algum [email protected] 65 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 tipo de pós-tratamento). O tipo de fibra mais utilizado tanto em aplicações estruturais como não estruturais são as fibras de aço, que podem inclusive ser utilizadas em substituição à armadura convencional. Em pavimentos de concreto, as fibras de aço são especialmente importantes pois contribuem com a redução da retração, com a melhoria da capacidade de resistir esforços de fadiga comparado com o pavimento de concreto simples, e também com a vantagem de apresentar um bom comportamento com relação à tenacidade (comportamento pósfissuração do concreto), mudando a característica frágil do concreto pra um comportamento dúctil. As fibras de aço são bastante utilizadas em pisos industriais devido ao fato de as mesmas contribuírem significativamente com a melhoria do concreto frente aos esforços de impacto e cargas concentradas de grande peso. Em pavimentos, o uso de fibras no concreto ainda não foi largamente difundido principalmente devido ao posicionamento randômico das mesmas na matriz da mistura; há a necessidade de que uma grande quantidade seja utilizada para garantir os mesmos benefícios proporcionados pela utilização da armadura, levando a um considerável aumento dos custos. As principais vantagens do uso das fibras de aço no concreto estão relacionadas com a possibilidade de se reduzir a espessura do pavimento e de aumentar o espaçamento entre as juntas devido à redução da retração. Os vários métodos de dimensionamento propostos neste relatório não são adequados para que o cálculo deste tipo de pavimento, principalmente pelo fato de não considerarem o comportamento pós-fissuração do concreto com fibras, ou seja, os métodos são baseados puramente na teoria elástica. Alguns autores dedicaram-se ao desenvolvimento de teorias baseadas no limite de escoamento do material, que poderia ser adaptada de certa forma para concretos com adição de fibras (Meyerhof, 1962; Falkner et al., 1995). A maneira mais adequada de garantir o dimensionamento deste tipo de pavimento esta baseada no método dos elementos finitos, que permite o uso da curva total de tensãodeformação do concreto submetido à flexão em sua análise, sendo a carga última determinada através do critério de falha escolhido. 7.2 PAVIMENTOS DE CONCRETO COMPACTADO COM ROLO Concreto compactado com rolo é um tipo de concreto extremamente seco (comparado ao concreto tradicional) e com trabalhabilidade zero, geralmente utilizado em barragens e, também, como base para pavimentos. A compactação deste tipo de concreto se dá através da passagem de rolos compactadores vibratórios lisos até o nível de compactação desejado seja atingido (Figura 14). [email protected] 66 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Figura 14 – Construção de um trecho de pavimento de concreto compactado com rolo. Percebeu-se, nos últimos anos, que o uso do concreto compactado com rolo poderia ser também uma alternativa aos pavimentos de concreto tradicionais, devido aos benefícios que o mesmo pode proporcionar, tais como: a redução do consumo do cimento, associado à redução global do custo do pavimento e à redução do calor de hidratação do cimento, conseqüentemente contribuindo para a redução da retração térmica. Além disso, a rapidez de construção (que pode ser feita utilizando-se equipamentos tradicionais de pavimentação asfáltica) e a rapidez de liberação ao tráfego também são pontos favoráveis ao uso desta técnica. O concreto compactado com rolo, quando utilizado em pavimentos, executa ao mesmo tempo as funções de base e de revestimento. Dentre as principais desvantagens, nomeia-se ao fato de que este tipo de concreto não possui uma camada de rolamento adequada para garantir o atrito necessário do veículo à rodovia, sendo em muitos casos necessários a utilização de uma camada asfáltica de rolamento sobre o pavimento rolado, principalmente em se tratando de pavimentos sujeitos ao tráfego de veículos em alta velocidade. Ou seja, o concreto compactado com rolo, sem a utilização de uma camada de rolamento, é ideal para utilização em locais de tráfego lento, mesmo que pesado, como por exemplo, os corredores de ônibus. A Norma do DNIT 059/2004 – ES (DNIT, 2004) especifica os procedimentos de serviço para este tipo de pavimento, dentre eles: Utilização de uma sub-base não expansível e não bombeável; utilização de uma pintura isolante e impermeável entre o pavimento e a sub-base; utilização de material para enchimento e material selante das juntas de acordo com a especificação; [email protected] 67 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 utilização de concreto com trabalhabilidade e resistência específicas, grau de compactação maior que 98% (de acordo com a Norma DNER 092/64), e consumo de cimento superior a 200 kg/m³; utilização de rolos vibratórios lisos para compactação e de placas vibratórias na compactação de placas e bordas; as juntas de construção e contração deverão ser executadas após entre 6 e 48h após o lançamento do concreto no pavimento; a camada de rolamento do pavimento deve ser avaliada quanto ao conforto e à suavidade do rolamento, de acordo com a Norma DNIT 063/2004-PRO. 7.3 PAVIMENTOS DE CONCRETO COMPACTADO COM ROLO COM ADIÇÃO DE FIBRAS DE AÇO RECICLADAS A adição de fibras de aço no concreto proporciona a melhoria de muitas propriedades do concreto, como já descrito no item 4.1. Sabendo-se da vantagem da utilização destas fibras, surgiu a idéia de se combinar dois métodos diferentes de pavimentos de concreto rígido: os benefícios do concreto compactado com rolo com os benefícios da utilização de fibras. Além disso, esta técnica de pavimento de concreto também leva em consideração a questão da sustentabilidade, fator este que está bastante em voga nos centros de pesquisa na atualidade, e que será potencialmente beneficiado com incentivos fiscais governamentais no mundo. A sustentabilidade entra nesse método através da reciclagem de pneus usados para obtenção das fibras de aço. Nos pavimentos flexíveis sabe-se da existência de alguns trabalhos acerca da reciclagem de pneus para a utilização de fibras de borracha nos ligantes asfálticos (ex. Specht, 2004). As fibras de aço recicladas são obtidas através de um processo de guilhotinas que reduzem o pneu a um amontoado de fragmentos. As fibras de aço, que compreendem aproximadamente 15 a 25% do peso total do material, são removidas através de campo magnético, por onde passam por um pós-tratamento mecânico para remoção dos resíduos de borracha e seleção do comprimento ideal (que varia de 15 a 25 mm). A Figura 15 mostra as fibras de aço extraídas de pneus usados antes e depois do tratamento mecânico para limpeza das fibras. [email protected] 68 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Figura 15 – Fibras de aço recicladas a) antes do tratamento e b) após o tratamento. Dentre as vantagens desta técnica podem ser citados: contribuição ambiental por meio do uso de material reciclado, diminuição do consumo de cimento através do uso da técnica do concreto compactado com rolo, redução da quantidade de juntas (e conseqüente diminuição de manutenção) e diminuição da espessura (pelo uso das fibras), também associado à durabilidade proporcionada pelos pavimentos de concreto. Assim como o concreto com adição de fibras, esta técnica apresenta incompatibilidade com os métodos de dimensionamento tradicionais, principalmente pelo fato de não utilizarem o comportamento pós-fissuração do material. Para garantir o correto dimensionamento deste tipo de pavimento, deve-se lançar mão de métodos computacionais, como o método de elementos finitos, capaz de considerar todo comportamento da curva tensão-deformação do material quando submetido à esforços de flexão; conhecimentos estes ainda caros e restritos. 7.4 PAVIMENTOS DE CONCRETO ULTRA-FLEXÍVEL COM ADIÇÃO DE FIBRAS FIBRILADAS DE POLIPROPILENO O estudo dos pavimentos de concreto ultra-flexíveis iniciou-se recentemente em alguns centros de pesquisas, como o de Michigan, nos EUA (liderado pelo prof. Victor Li). No Brasil foi terminado recentemente um estudo sobre este tipo de material na Universidade Federal do Rio Grande do Sul (Garcez, 2009). Apesar de bastante recente, já existem algumas aplicações reais deste tipo de técnica na pavimentação, principalmente como sobre-laje em pontes de concreto, construídos no Japão. Os pavimentos de concreto ultra-flexíveis (ver Figura 16) são compostos geralmente por argamassa e fibras de polipropileno fibriladas em uma dosagem considerada como adequada. De acordo com Li (2003), a adição exagerada de fibras com a intenção da melhoria da ductilidade do concreto muitas vezes tem gerado problemas no campo da mecânica da fratura, o que levou ao uso mais racional do uso de fibras, obtendo-se resultados bastante satisfatórios. [email protected] 69 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Figura 16 – Concreto ultra-flexível. As principais vantagens desta técnica são (Li, 2003): elevado ganho de resistência à tração, cisalhamento e impacto; elevado ganho de ductilidade, devido à alta capacidade de absorção de energia e alta capacidade de deformação sobre carregamentos de tração, o que leva à formação de várias fissuras múltiplas de pequena abertura, como mostrado na Figura 17; elevada resistência ao efeito de sismos e de fadiga; elevada durabilidade devido ao tamanho das fissuras geradas (devido à retração térmica à ação de cargas de fadiga) serem normalmente inferior ao valor limite permissível nos códigos de dimensionamento (ex. DNIT, 2005), impossibilitando a entrada de agentes agressivos no material; elevada resistência à abrasão, ideal para utilização em pavimentos. Figura 17 – Micro-fissuras após ensaio de flexão em concreto ultra-flexível. Entre as desvantagens desta técnica salienta-se o consumo elevado de cimento para garantir a dispersão das fibras de uma maneira uniforme e para contribuir com o controle da tenacidade do elemento (Wang e Li, 2007). [email protected] 70 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 A maior aplicabilidade deste tipo de material em pavimentos será por meio de reparos e reabilitação de pavimentos flexíveis ou rígidos, sendo neste último chamado de whitetopping, como já mencionado anteriormente. O concreto ultra-flexível, quando utilizado em reabilitação de pavimentos, age como um sistema estrutural de suporte de carga, mesmo que se utilizando de camadas ultra delgadas do material. Esta técnica também pode ser utilizada como sobre-laje de obras-de-arte, devido ao baixo específico quando comparado com concretos convencionais, reduzindo o peso próprio total da estrutura. Não existem, atualmente, normas de dimensionamento de camadas de reabilitação considerando-se este tipo específico de material. Entretanto, o uso de normas que tratam do dimensionamento de camadas de concreto convencional para reabilitação de pavimentos podem ser utilizadas, desde que respeitadas as propriedades do material. Um cálculo mais aprofundado, respeitando-se com exatidão as características do material pode ser executado com base nos princípios da micromecânica. 7.5 PAVIMENTOS DE CONCRETO ULTRA-DURÁVEIS Os pavimentos de concreto ultra-duráveis geralmente são pavimentos convencionais com alguns cuidados específicos de projeto, construção e de dosagem do material, que termina por aumentar a sua durabilidade. O aumento da durabilidade das estruturas é um fator que contribui para o desenvolvimento sustentável na engenharia civil. Isto acontece devido ao fato de que havendo uma quantidade menor de atividades de manutenção, isto contribui para a redução do uso de recursos naturais necessários para que seja mantida a mesma função em uma determinada estrutura. Foi realizada em Chicago (EUA), em 2006, uma conferência internacional sobre pavimentos de concreto com elevada durabilidade onde vários autores tiveram a oportunidade de mostrar os principais avanços deste tipo de pavimento em várias partes do mundo. Dentre os vários artigos publicados na conferência, percebe-se que há uma tentativa de que sejam esclarecidos os principais problemas nos pavimentos para que soluções sejam tomadas no intuito de garantir a durabilidade destas estruturas. De acordo com Ceylan et al. (2006), acredita-se que possa existir pavimentos de concreto com manutenção zero. [email protected] 71 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 8 ANÁLISE DO DIMENSIONAMENTO DE UMA ESTRUTURA PADRÃO Este capítulo mostra uma comparação prática entre os diferentes métodos para dimensionamento de pavimentos rígidos descritos no Capítulo anterior em uma estrutura de referência. Esta análise tem por objetivo principal, realçar as limitações e vantagens de cada um dos métodos empregados e também permitir a investigação de sua potencialidade para uso com novos materiais disponíveis para os pavimentos rígidos. Para a análise foram considerados os dados do segmento de pavimento rígido do tipo whitetopping da Rodovia BR-290 (Freeway) como referência. O referido trecho está localizado entre os quilômetros km 23 e km 26, km 32 e km 39, km 48 e km 55 da Pista Norte daquela rodovia. Considera-se para efeito de cálculo a faixa externa do pavimento, onde não há acostamento de concreto no local, e onde existe o maior tráfego de veículos pesados. Será dimensionado um pavimento de concreto simples com juntas e barras de transferência para transmissão dos esforços (JPCP). A comparação entre os métodos é feita da seguinte maneira: Cálculo das espessuras levando-se em conta o uso de concreto convencional Cálculo das espessuras levando-se em conta o uso de novas técnicas de construção de pavimentos rígidos Comparação entre os métodos para efeito de verificação da compatibilidade dos métodos de dimensionamento existentes com as novas técnicas descritas anteriormente. 8.1 DIMENSIONAMENTO COM CONCRETO CONVENCIONAL Foram considerados os seguintes dados de entrada para o dimensionamento dos pavimentos (Giublin, 2007): Módulo de reação do subleito = 80 MPa/m Resistência característica à tração na flexão do concreto fctm,k = 4,5 MPa Resistência característica à compressão do concreto fc,k = 45 MPa Sem a presença de acostamento de concreto Período de vida útil da estrutura = 20 anos Projeção do tráfego da rodovia de acordo com a Tabela 4. Os métodos de dimensionamento levados em consideração foram: Método da PCA (1984), Guia da AASHTO (1993) e Método Inglês (2006). O manual do DNIT (2005) faz [email protected] 72 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 referência ao método da PCA (1984) para o cálculo de dimensionamento, que já foi mencionado. O método do NCHRP (2004) não foi analisado nesta pesquisa devido à necessidade de muitos parâmetros de entrada que não fazem parte dos dados existentes para o dimensionamento do pavimento. Tabela 4 – Projeção do tráfego da Rodovia BR-290 (Freeway) – Ponto de Pedágio P2 – km 78+000, Pista Norte, Setembro 1999/Agosto 2000 Categoria Tipo Num. de eixos Volume (ano zero) Volume (ano 20) 2 2C 2 257.495 542.503 4 3C 3 236.364 497.983 6 4C 4 56.390 118.805 7 2S3 5 115.417 243.166 8 3S3 6 32.059 67.543 10 3D4 7 1336 2815 11 - 8 79 166 12 3T6 9 4 8 Tráfego Ano zero (Vo) = 699.144 (somente veículos comerciais) Tráfego Médio = 1.086.067 (médio projetado) Tráfego total (Vt) = 21.721.340 8.1.1 Método da PCA Para o dimensionamento considerando-se o método da PCA (1984), utilizou-se o procedimento simplificado de dimensionamento. Por recomendação do procedimento, desconsiderou-se do cálculo os veículos comerciais com 2 eixos simples (categoria 2C da Tabela 4). Desta maneira, a média diária de tráfego de caminhões (ADTT) ficou igual a 1880 (em uma direção) e 3760 (nas duas direções). Considerando-se um fator de projeção de crescimento de tráfego igual a 1,5 para 20 anos de vida útil (de acordo com a taxa de crescimento de tráfego de 4% ao ano), o valor de ADTT fica igual a 5640 para as duas direções de tráfego. Com base nas Tabelas 9 e 14a do método da PCA (1984), e considerando-se os dados de entrada mostrados anteriormente, determina-se a espessura do pavimento de concreto. O valor encontrado para a espessura pode ser observado na Tabela 5, ao final da descrição dos métodos empregados. [email protected] 73 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 8.1.2 Método Inglês – Highways Agency Para determinação da espessura da placa de concreto, inicialmente procede-se ao cálculo do tráfego, em milhões de eixos-padrão (considera-se o eixo padrão como 80 kN), de acordo com o Manual HD24/06 da Highways Agency (2006). De acordo com o método, deve-se separar o tráfego total de veículos comerciais em PSV (veículos para transporte público) + OGV1 (outros veículos de carga – categoria 1) e OGV2 (outros veículos de carga – categoria 2). Considerou-se como PSV + OGV1 os veículos da categoria 2C (tabela 4), equivalentes a 37% do total de veículos comerciais (= 1096 veículos por dia em uma única direção - F1) e OGV2 os veículos das demais categorias, equivalente a 63% (= 1880 veículos por dia em uma única direção – F2). Os fatores de crescimento (G) e de desgaste (W) foram obtidos através de gráficos existentes no Manual HD 24/06 para cada uma das categorias de tráfego. Os seguintes valores foram utilizados: G = 1,09 (OGV1 + PSV); G = 1,27 (OGV2); W = 1,00 (OGV1 + PSV); W = 4.4 (OGV2) Foi também obtida a percentagem de veículos na faixa mais carregada (P), igual a 87,5%. A vida de serviço Y, como já descrito anteriormente, é igual a 20 anos. O valor de eixos padrão de carga, de acordo com o manual, pode ser calculado pela seguinte equação: 𝑇𝑖 = 365 × 𝐹 × 𝑌 × 𝐺 × 𝑊 × 𝑃 × 10−6 [msa] A soma do tráfego das duas categorias em 20 anos é igual a 74,73 msa. Para o cálculo da espessura considerou-se a equação 10, devido ao uso de barras de transferência, e a espessura encontrada está mostrada na Tabela 5. É importante salientar que este método não permite o uso de concreto com resistência à flexão inferior à 5,5 MPa, entretanto, para fins de comparação com os demais métodos, utilizou-se para o cálculo a resistência à flexão de 4,5 MPa. 8.1.3 Método da AASHTO Para efeitos deste exercício de comparação entre os métodos, consideraram-se como dados de entrada no modelo da AASHTO os seguintes valores: So = 0,35; ZR = -1,037 (confiabilidade de 85%); po = 4,5; pt = 2,5; Cd = 1,00; J = 3,2; Ec = 36 GPa. Os valores acima foram obtidos com base nas explicações do item 3.5 deste relatório. O valor de W18 (número de eixos padrão de carga) foi obtido com base nos cálculos do Método Inglês, para garantir uniformização de valores, uma vez que o conceito do número de eixos padrão (com base num eixo padrão de 80 kN) é o mesmo em ambos os métodos. O valor utilizado para W18 foi igual a 74,73 x 106 eixos padrão em 20 anos de serviço. O valor encontrado para a espessura, como base na Equação 6, encontra-se na Tabela 5. [email protected] 74 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Tabela 5 – Resultados encontrados para dimensionamento do pavimento simulado Método Valor da espessura [mm] PCA 240 Highways Agency 240 AASHTO 330 Percebe-se que ambos os métodos da PCA (1984) e da Highways Agency (2006) apresentam a mesma espessura de projeto, igual a 240 mm. O guia da AASHTO (1993), em contrapartida, difere de ambos os métodos e apresenta espessura 37,5% superior a ambos os outros métodos. É importante lembrar que o método da Highways Agency (2006) exige o uso de camada de revestimento asfáltico sobre o pavimento de concreto de no mínimo 30 mm, o que aumenta a espessura total do pavimento, embora não contribuindo diretamente na absorção dos esforços. Os outros métodos não fazem referência ao uso da camada asfáltica de rolamento. É ainda importante salientar que a espessura de 240 mm encontrada considerando o método da PCA (1984) e da Highways Agency é a mesma espessura utilizada na pista externa do pavimento rígido da BR290 Free way nos trechos anteriormente referidos. 8.2 DIMENSIOAMENTO COM USO DE CONCRETOS ESPECIAIS O uso de novas técnicas para pavimentos de concreto, como já descrito anteriormente, tem se mostrado cada vez mais presente nos dias atuais. No entanto, os métodos de dimensionamento ainda não estão adaptados a estas novas técnicas, e as principais melhorias nas propriedades do concreto não são adequadamente contabilizadas. Isto leva na maioria das vezes a um dimensionamento que pouco retrata os benefícios da tecnologia dos materiais empregados, acarretando, por vezes, em pavimentos de baixa eficiência econômica em função do emprego de métodos incorreto. A seguir está apresentado o dimensionamento de algumas das novas técnicas (concreto com adição de fibras de aço, concreto ultra-flexível com adição de fibras fibriladas de polipropileno, concreto com adição de fibras de aço recicladas de pneus e concreto compactado com rolo) com base nos procedimentos padrão dos mesmos métodos utilizados para o dimensionamento dos pavimentos com concreto convencional (item 5.1), como o Método da PCA (1984), Highways Agency (2006) e AASHTO (1993). As mesmas considerações de entrada utilizadas no cálculo do concreto convencional foram adotadas, como por exemplo, a inexistência de acostamento de concreto, o módulo de reação do subleito, o período de vida útil de 20 anos, e os mesmos dados de tráfego apresentado na Tabela 4. Os valores adotados para o dimensionamento considerando-se os vários tipos de concreto analisados encontram-se na Tabela 6. Foi adotado o valor de 6,5 MPa para a resistência à flexão do concreto com adição de fibras de aço, uma vez que a mesma é facilmente atingida quando fibras de aço são adicionadas no concreto. O valor de 65 MPa foi adotado com base no critério de que a [email protected] 75 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 resistência à flexão representa em torno de 10% da resistência à compressão do concreto (adotado anteriormente). O módulo de elasticidade foi calculado com base nos procedimento da NBR 6118, que correlaciona a resistência à compressão com o módulo de elasticidade do concreto, dado pela equação 𝐸 = 5600 𝑓𝑐𝑘 . Tabela 6 – Dados de entrada para o dimensionamento de novas técnicas para pavimentos de concreto. Tipo de Concreto Resistência à flexão [MPa] Resistência à compressão [MPa] Módulo de elasticidade [GPa] Concreto reforçado com fibras de aço 6,5 65 45 7,0 30 20 7,0 70 47 5,0 50 40 Concreto ultra-flexível com adição de fibras fibriladas de polipropileno Concreto com adição de fibras de aço recicladas de pneus Concreto compactado com rolo Os valores utilizados para o concreto ultra-flexível foram obtidos através do trabalho de Garcez (2009) – referência PPECC1. Os valores de resistência à flexão e compressão para o concreto com adição de fibras de aço recicladas de pneus e para o concreto compactado com rolo foram obtidos através do trabalho de Graeff (2009), enquanto que o módulo de elasticidade para estes concretos foi calculado de acordo com a equação da NBR 6118, mostrada acima. Os resultados do dimensionamento destas novas técnicas, em termos da espessura para estes pavimentos, estão mostrados na Tabela 7. Tabela 7 – Espessura calculada pelos métodos de dimensionamento considerando novas técnicas de construção. Método de dimensionamento Tipo de Concreto PCA (1984) Highways Agency (2006) AASHTO (1993) Concreto reforçado com fibras de aço 240 190 270 Concreto ultra-flexível com adição de fibras fibriladas de polipropileno 240 330 250 Concreto com adição de fibras de aço recicladas de pneus 240 180 260 Concreto compactado com rolo 240 220 320 [email protected] 76 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 8.3 COMPATIBILIDADE DOS MÉTODOS TRADICIONAIS NO EMPREGO DE NOVOS MATERIAIS Diferença de espessura comparado com concreto convencional [%] A comparação das espessuras das novas técnicas de pavimentos rígidos com o pavimento de concreto convencional, de acordo com os métodos analisados, está resumida no gráfico da Figura 18. 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Adição de fibras de aço PCA (1984) Ultra-flexível Adição de fibras de aço recicladas Highways Agency (2006) Compactado com rolo AASHTO (1993) Figura 18 – Comparação das espessuras das novas técnicas com o concreto convencional. No método da PCA, o valor máximo de resistência à flexão permitido cuja correlação é possível de se encontrar nas tabelas e gráficos do método simplificado de cálculo, é igual a 4,5 MPa, sendo que a acréscimo de resistência à flexão incorporado pelas novas técnicas para pavimentos de concreto não foi levado em consideração no método e, desta forma, as espessuras permaneceram iguais ao do concreto convencional. A adição de fibras de aço no concreto, tanto as industrializadas como as recicladas, proporcionou uma redução considerável da espessura do pavimento quando comparado com o concreto convencional (da ordem de 20%), considerando-se os métodos da Highways Agency e AASHTO. O pavimento de concreto ultra-flexível foi o que apresentou maior discrepância de resultados com relação aos três métodos de dimensionamento. O método da Highways Agency considera apenas a resistência à compressão do concreto como dado de entrada do concreto, que neste caso é inferior ao das outras técnicas de pavimentos rígidos, e portanto, resultando num valor de espessura de placa bastante superior ao dos outros métodos de dimensionamento. Já o método da AASHTO, que considera tanto a resistência à flexão e o módulo de elasticidade do concreto (principal diferença do concreto ultra-flexível com relação às outras técnicas), mostrou que há uma grande redução da espessura do pavimento quando comparada com o concreto convencional. [email protected] 77 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 O concreto compactado com rolo, por apresentar características semelhantes ao concreto convencional, foi a técnica que apresentou menor variação entre os resultados. Dentre os métodos de dimensionamento de pavimentos rígidos comparados nesta análise, percebe-se que o método da PCA é o mais restrito, uma vez concretos com resistência à flexão superior a 4,5 MPa não são computados no procedimento simplificado de cálculo proposto pelo método. Desta maneira, qualquer concreto que possua um desempenho à flexão superior à 4,5 MPa (todos os analisados nesta pesquisa), deverá ser calculado com base no valor menor de resistência. Este fato pode ser explicado pelas restrições da tecnologia de concreto na época em que o método foi implementado. O método não faz referência ao módulo de elasticidade do concreto. O método da Highways Agency também é um procedimento bastante restrito quanto à aplicação de novas técnicas para pavimentos de concreto, uma vez que não considera sequer o valor da resistência à flexão do concreto, sendo todo o cálculo baseado na resistência à compressão do mesmo. Também não referência o módulo de elasticidade, fator bastante importante para determinados tipos de concreto. O método da AASHTO é o que melhor se adapta às novas técnicas pelo fato de considerar a resistência à flexão e o módulo de elasticidade do concreto, diminuindo a espessura da placa de concreto em aproximadamente 25%, quando comparado com o concreto convencional (calculado pelo mesmo método). A diminuição da retração do concreto devido à presença de fibras não é também considerada em nenhum dos métodos. A diminuição da retração pode levar a um maior espaçamento entre as juntas nos pavimentos de concreto com juntas, ou à redução da taxa de armadura nos pavimentos continuamente armados. Da mesma forma, a diminuição da quantidade de cimento no concreto compactado com rolo também pode levar à diminuição da retração. [email protected] 78 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 9 SOFTWARES PARA RESTAURAÇÕES PROJETO DE PAVIMENTOS NOVOS E Para as análises necessárias ao projeto de pavimentos novos, quatro softwares foram analisados, a saber: ELSYM 5 - Programa computacional utilizado essencialmente para análise de tensões e deformações; pode ser utilizado indiretamente para o projeto de pavimentos novos e restaurações. EVERSERIES - O pacote contempla um programa para análise de tensões e deformações e também um aplicativo utilizado diretamente para o projeto de pavimentos novos e restaurações. BISAR - SHELL - Este programa é muito semelhante aos anteriormente apresentados, sendo apenas possível a análise de tensões e deformações o que permite o projeto de pavimentos novos e restaurações apenas indiretamente. M-E PDG - Novo software do Guia da AASHTO 2003 com alto nível de detalhamento e que pode ser utilizado diretamente em projetos de pavimentos novos e restaurações de alto nível. A seguir são detalhados os programas consultados com alguns detalhes sobre sua estrutura e relevância para o projeto. Ao final do capítulo são discutidos os prós e contras dos programas e é sugerido um software para a execução de um projeto de um pavimento tipo de rodovias do estado do Rio Grande do Sul. 9.1 PROGRAMA ELSYM5 – ELASTIC LAYERED SYSTEM O Programa Computacional ELSYM5 (Elastic Layered System), aplicativo desenvolvido pela Universidade da Califórnia em Berkeley, inicialmente para computadores de grande porte, a versão para microcomputadores foi desenvolvida por KOOPERMANN et al (1985) e foi patrocinada pelo Federal Highway Administration (FHWA) (Coutinho Neto et al, 2003). É um procedimento baseado na teoria da elasticidade linear de meios estratificados, com a solução de Burmister ampliada para cinco camadas, (Medina, 1997), permite o carregamento de até 10 cargas, obtendo-se tensões e deformações em vários pontos e também a bacia de deformação. Os dados necessários para alimentação do programa: a. b. c. d. Carregamento ocasionado pelo tráfego, número e localização das cargas. Coeficientes de Poisson das camadas constituintes do pavimento. Espessuras das camadas constituintes do pavimento. Pontos em que serão analisadas as tensões, as deformações e as deslocamentos [email protected] 79 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 O programa ELSYM5 gera tensões, deformações e deslocamentos, em vários pontos do pavimento, quando da aplicação de cargas similares às oriundas do tráfego. A retroanálise, com a utilização deste programa computacional, consiste em arbitrar valores para módulos de resiliência de um determinado pavimento, até que os resultados da bacia de deformação gerada enquadrem-se dentro de um intervalo de aceitação em relação à bacia de deformação levantada em campo, determinando assim os módulos das camadas do pavimento, os limites e médias dos módulos de resiliência. Cabe lembrar que as variações dos módulos ocorrem devido ao trincamento, para valores menores, e envelhecimento do ligante, para valores maiores, sem levar em conta a variação da temperatura, a qual altera os valores dos módulos sem levar em conta trincamento e ligante. A maneira de realizar o projeto de um pavimento novo ou restauração, é possível pela análise das tensões e deformações solicitadas nos arquivos de saída do programa. Com estes dados em mãos, é possível determinar a partir da tensão de tração na fibra inferior do pavimento, qual a vida de fadiga a partir de modelos de deterioração; com a deformação de compressão no topo do subleito é possível estimar o desenvolvimento de deformações permanentes na estrutura do pavimento. Salienta-se que não é propósito desta pesquisa avaliar os diferentes modelos de fadiga existentes, ou discutir a maneira de como utilizado. Esta tarefa é de um elevado grau de complexidade e exige uma discussão a parte sobre sua aplicabilidade. 9.2 PROGRAMA EVERSERIES PAVEMENT ANALYSES PROGRAMS O Everseries é um grupo de programas desenvolvidos pelo Washington State Department of Transportation (WSDOT), a partir de programa do WESLEA – Watersways Experiment Station, U.S. Army Corps of Engineers (WSDOT, 1995). O Everseries apresenta três programas independentes: a. Programa EVERSTRESS – Layered Elastic Analysis - que determina as tensões, deformações e deslocamentos em um sistema de camadas elásticas semi-infinitas abaixo da superfície de cargas circulares. O programa analisa estruturas contendo no máximo 5 (cinco) camadas, 20 (vinte) cargas e 50 (cinqüenta) pontos de avaliação; b. Programa EVERPAVE – Pavement Overlay Design - é o programa de dimensionamento de pavimentos, baseado nos defeitos provenientes da fadiga por trincamento e trilhamento de rodas, fornecendo as espessuras necessárias para suportar os danos causados pelo tráfego; c. Programa EVERCALC – Pavement Backcalculation - é o programa que estima os módulos resilientes das camadas do pavimento. O programa EVERSTRESS apresenta uma similaridade muito grande com o programa ELSYM5. Abaixo são elencados alguns fundamentos de cada um dos programas que integra o pacote. [email protected] 80 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 9.2.1 Programa EVERCALC – Pavement Backcalculation Os fundamentos básicos são: → as camadas do pavimento são infinitas na direção horizontal. → as camadas possuem espessuras uniformes. → as última camada é semi infinita na direção vertical. → as camadas são homogêneas, isotrópicas, de materiais linearmente elásticos, caracterizadas pelo módulo elástico e pelo coeficiente de Poisson. Para a determinação dos módulos de resiliência são necessários os seguintes elementos: → espessuras e natureza das camadas constituintes do pavimento. → bacias de deformação medidas sobre os pavimentos. → temperaturas do pavimento. → coeficientes de Poisson das camadas do pavimento. → carga aplicada no pavimento para determinação das bacias de deformação e o raio de aplicação. → módulos sementes, ou sejam os módulos que o programa deverá começar a primeira iteração. → valores máximos e mínimos limites para o cálculo dos módulos. → número máximo de iterações permitidas. → tolerância de erro aceitável para ao cálculo do módulo. De posse dos dados citados acima, o programa, através de processo iterativo, calcula os módulos, atendendo a todas as restrições impostas, ou até chegar ao limite máximo de iterações permitidas no processo, cabendo lembrar, que nem sempre é possível chegar a resultados dentro dos limites requeridos. 9.2.2 Programa EVERSTRESS – Layered Elastic Analysis O EVERSTRESS analisa estruturas contendo no máximo 5 (cinco) camadas, 20 (vinte) cargas e 50 (cinqüenta) pontos de avaliação, diferindo do ELSYM5, que analisa apenas 10 cargas. O programa calcula tensões, deformações e deslocamentos em 50 diferentes pontos, tendo de ser alimentado com a espessura das camadas, o coeficiente de Poisson, os módulos elásticos e os pontos que se quer analisar. [email protected] 81 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 9.2.3 Programa EVERPAVE – Pavement Overlay Design É um programa de dimensionamento de reforço de pavimentos, baseado nos defeitos provenientes da fadiga por trincamento e trilhamento de rodas. O dimensionamento é realizado a partir do tráfego previsto para o pavimento, com o qual o programa é alimentado, juntamente com a estrutura do pavimento que se deseja executar, informações de todas camadas, respectivas espessuras, materiais constituintes e o coeficiente de Poisson das mesmas. O programa define a estrutura necessária para atender ao tráfego previsto. 9.3 BISAR - SHELL A determinação dos módulos de deformabilidade das camadas do pavimento pode ser efetuada através do programa de cálculo automático BISAR (Bitumen Stress Analysis in Roads), que tem como base o modelo de Burmister. O modelo de Burmister considera que o pavimento é composto por um conjunto de camadas horizontais, contínuas, homogêneas, isotrópicas e elásticas-lineares, assentes sobre um meio semi-infinito, e que na superfície do conjunto de camadas atua uma carga vertical uniformemente distribuída numa área circular (Shell, 1995). O programa BISAR para análise de pavimentos (sistemas multi-camadas) permite considerar que as condições de interface entre camadas podem ser variáveis, desde aderência perfeita até deslizamento sem atrito (camadas desligadas). É um programa muito semelhante aos anteriormente descritos, no qual a maneira de realizar o projeto de um pavimento novo ou restauração, é possível pela análise das tensões e deformações solicitadas nos arquivos de saída do programa. 9.4 M-E PDG - MECHANISTIC-EMPIRICAL PAVEMENT DESIGN GUIDE O software para o Guia de Projeto Mecanístico-Empírico, ou, M-E Pavement Design Guide (MEPDG), está na sua versão 1.1 quando da conclusão deste projeto. A rotina de análise de tensões por trás do MEPDG consiste de uma análise não linear em duas dimensões conhecida como DSC2D, desenvolvida pelo Dr. Desai, da Universidade do Arizona, Tucson/EUA. O Código DSC foram originalmente desenvolvidos para analisar problemas geomecânicos de solos e rochas, e tem sido utilizado para análises de sistemas multi-camada como estruturas de transporte de massa (a exemplo de fundações de ferrovias) e também pavimentos asfálticos. O DSC2D é um programa baseado em elementos finitos para determinação das tensões, deformações e deslocamentos em sistemas de pavimentos não-lineares. O mesmo avalia [email protected] 82 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 os materiais em quatro domínios: Elástico (Linear e Elástico e Elástico Hiperbólico), Plástico (von Mises, Mohr-Coulomb, Cap, Cam-Clay, Drucker-Prager Cam-clay, HoekBrown, HiSS), Viscoelástico e temperatura-dependente. As configurações de carga podem ser Nodal, Superfície, Térmica, Dinâmica, Cíclica e Repetitiva. A versão proposta para ser utilizada no MEPDG é uma versão simplificada do código do DSC2D com modelos de comportamento elástico-linear e não-linear. O MEPDG considera as cargas de tráfego em termos de espectro de carga para cada tipo de configuração de eixos, abandonando o conceito de carga de eixo simples equivalente. Os dados de entrada do tráfego podem ser considerados como do Nível 1, 2 ou 3. A distribuição de Veículos é feita por classe, com distribuição horária do tráfego de caminhões, fator de crescimento (adotado crescimento linear de 3,0%), distribuição de carga por eixo (espectro de carga do PPV 9-1 considerando os veículos 2C-classe 5, 3Cclasses 4 e 6, 2S3 – classe 9, 3S3-classe 10 e 3D4-classe 13), número de eixos por caminhões (também baseado no espectro de carga do PPV 9-1). Informações e Parâmetors de Análise Dados de Entrada Resultados Figura 10 - Interface do Programa M-E PDG - Guia da AASHTO 2003 [email protected] 83 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Dentre suas principais vantagens está o fato do programa fazer uma análise baseada na performance do pavimento, na qual os parâmetros de trincamento e evolução da irregularidade são previstas durante o período de análise. É importante também salientar que análise do pavimento considera a performance de cada material numa fração de dia, na qual as condições de temperatura, nível do lenços freático, tipo e freqüência do carregamento irão condicionar o comportamento do material. A Figura 10 mostra a interface utilizada pelo MEPDG. Os dados de entrada classificados em níveis, permite que o usuário eleve o nível de detalhamento das informações, de maneira a gerar dados de maior ou menor refinamento. Tal opção permite a compatibilização dos dados disponíveis, viabilizando, por exemplo, a realização de projetos sem, por exemplo, o conhecimento da curva mestre dos materiais asfálticos dado este de elevado grau de dificuldade para aquisição, ainda restrito aos ambientes acadêmicos internacionais e extremamente oneroso e moroso. 9.5 SELEÇÃO DO PROGRAMA Os programas elencados acima, foram considerados de potencial uso para o dimensionamento de pavimentos. Apesar do elevado grau de diferenciação técnica, optou-se por escolher software de uso de amplo acesso e também que contemplassem escolhas atuais no meio profissional. É importante salientar a existência de vários outros programas computacionais para dimensionamento de pavimento. Estes programas variam em grau de complexidade, princípios, acessibilidade e, principalmente, validação. Aproximou-se neste Capítulo apenas programas mais difundidos e de acesso gratuito, tendo em vista o caráter público da pesquisa que visou elencar ferramentas passíveis de uso futuro. Há programas desenvolvidos no Brasil, como o FEPAV, RIOPAVE e SISPAV que são de caráter mais restrito de acesso. Assim, não foi possível sua análise integral ou consideração de uso em detrimento da sua disponibilidade restrita. Dos programas analisados, o MEPDG é o que apresenta melhores características técnicas, com maior nível de elaboração e potencial de propulsão futura. É indiscutível a soberania técnica deste sobre os outros candidatos e foi portanto considerado o selecionado para avaliação de um projeto de uma estrutura padrão para esta pesquisa. [email protected] 84 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 10 COMPARAÇÃO DE UM PROJETO DE PAVIMENTO TIPO DE RODOVIAS DO RS Uma das estruturas escolhidas para análise nesta pesquisa foi uma das estruturas utilizadas na BR290 no trecho da Freeway. A escolha foi feita pelo fato de serem conhecidas as propriedades mecânicas do material empregado naquele pavimento e por esta estrutura também fazer parte de outras pesquisas já realizadas anteriormente, o que corrobora para uma análise global dos dados e proporciona, em adição, um banco de dados mais detalhado para pesquisas futuras. Esta estrutura é típica de construções do sul do país, com um revestimento asfáltico do tipo CBUQ de 8cm executado sobre uma camada de brita graduada de 15cm e outra camada inferior de macadame seco de 30cm de espessura. O subleito considerado foi um solo local do tipo argila, com um reforço proposto de areia de 60cm de espessura. A Figura 11 - Estrutura de pavimento considerada na análise Entre os importantes dados coletados, relaciona-se o tráfego real de uma rodovia brasileira, da qual utilizou-se a colaboração com a CONCEPA para compilar um real banco de dados o qual registrou em essência o espectro de veículos da rodovia. Estes dados proporcionaram um grande avanço em relação às técnicas empregadas correntemente na maioria dos projetos. Os resultados obtidos estão relatados abaixo entre a Figura 12 e Figura 21. Os gráficos são provenientes de diversas etapas de entrada e análise que foram sintetizadas nas referentes figuras. [email protected] 85 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Surface Down Cracking - Longitudinal 100 90 80 Maximum Damage(%) 70 60 Surface 50 Depth = 0.5" 40 30 20 10 0 0 18 36 54 72 90 108 126 144 162 180 198 Pavement Age (month) Figura 12 - Trincamento Longitudinal de superífice com trincas descendentes - Dano máximo Surface Down Cracking - Longitudinal 1000 900 Longitudinal Cracking (ft/mi) 800 700 600 Surface 500 Depth = 0.5" 400 300 200 100 0 0 18 36 54 72 90 108 126 144 162 180 198 Pavement Age (month) Figura 13 - Trincamento Longitudinal de superífice com trincas descendentes - absoluto (ft/mi) [email protected] 86 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Bottom Up Damage for Alligator Cracking 100 90 Maximum Damage (%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 18 36 54 72 90 108 126 144 162 180 198 Pavement Age (month) Figura 14 - Trincamento tipo crocodilo - Dano máximo Bottom Up Cracking - Alligator 100 90 80 Alligator Cracking (%) 70 60 Maximum Cracking Bottom Up Reliability 50 Maximum Cracking Limit Total Surface Cracking 40 30 20 10 0 0 18 36 54 72 90 108 126 144 162 180 198 Pavement Age (month) Figura 15 - Trincamento de crocodilo - ascendente. Absoluto [email protected] 87 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Thermal Cracking: Crack Depth Vs Time 8 7 Crack Depth (in) 6 5 4 3 2 1 0 0 18 36 54 72 90 108 126 144 162 180 198 144 162 180 198 Pavement Age (month) Figura 16 - Trincamento Térmico Thermal Cracking: Depth Ratio Vs Time 1 0,9 0,8 0,7 Cave/hac 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 18 36 54 72 90 108 126 Pavement Age (month) Figura 17 - Trincamento Térmico - profundidade x tempo [email protected] 88 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Thermal Cracking: Total Length Vs Time 1000 900 800 Total Length (ft/mi) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 18 36 54 72 90 108 126 144 162 180 198 180 198 Pavement Age (month) Figura 18 - Trincamento Térmico - Comprimento x Tempo Transverse Crack Spacing 1,0 0,9 0,8 Crack Spacing (ft) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 18 36 54 72 90 108 126 144 162 Pavement Age (month) Figura 19 - Espaçamento de Trincas Transversais [email protected] 89 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 Permanent Deformation: Rutting 0,30 AC Rutting Design Value = 0.25 Total Rutting Design Limit = 0.2 Rutting Depth (in) 0,25 0,20 SubTotalAC SubTotalBase 0,15 SubTotalSG Total Rutting Design Limit 0,10 0,05 0,00 0 18 36 54 72 90 108 126 144 162 180 198 Pavement Age (month) Figura 20 - Deformação Permanente - Afundamento de Trilha de Roda IRI 200 180 160 140 IRI (in/mi) 120 IRI 100 IRI at Reliability Design Limit 80 60 40 20 0 0 18 36 54 72 90 108 126 144 162 180 198 Pavement Age (month) Figura 21 -Irregularidade Longitudinal - IRI Verifica-se o pavimento projeto teria uma seu desempenho restrito pelo afundamento de trilha de roda e não por qualquer outro critério investigado. O pavimento no mês 99 (8 Anos e 3 Meses) atingiria o máximo afundamento de trilha de roda. A partir deste seria necessário, por exemplo, fazer uma camada de recape, reperfilagem do segmento em análise ou outra solução que viesse a mitigar tal problema na data prevista. Seria possível também contornar o problema, fosse alterado o tipo de mistura asfáltica que foi o elemento responsável pelo fim da serventia do pavimento na análise efetuada. [email protected] 90 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 11 CONCLUSÕES Este relatório apresentou no Capítulo 1 uma introdução ao projeto no qual está inserido, mostrando a sua importância e descrevendo seus objetivos. O Capítulo 2 faz um detalhamento da sistemática utilizada por um projeto de pavimentos, fazendo considerações sobre a contextualização dos dados de entrada como clima, tráfego, materiais, etc., em um projeto de pavimento, mostrando, ainda, suas metodologias de análise. O Capítulo 3 faz uma investigação dos métodos estrangeiros para dimensionamento de pavimentos flexíveis novos e projetos de restauração. Foram abordados o método australiano, o americano do Instituto do Asfalto, o inglês da Highways Agency, o guia da AASHTO de 1986 e ainda o mais atual guia mecanístico-empírico para projeto de pavimentos, o guia da AASHTO de 2002. Finalmente no Capítulo 5 são apresentados os métodos nacionais como o tradicional método do CBR do extinto DNER (atual DNIT), o método da Resiliência, ou TECNAPAV, e também os procedimentos normativos PRO10, PRO11 e PRO159 para dimensionamento de reforços de pavimentos flexíveis. Por fim, é apresentado o método empírico mecanístico da Prof. Laura Motta (1991) da COPPE/UFRJ, que pode ser considerado um dos métodos brasileiros mais completos para dimensionamento de pavimentos. Pode-se concluir do estudo apresentado acerca dos sistemas empregados em projetos de pavimentos que o uso de metodologias puramente empíricas é, para os dias de hoje, uma impossibilidade. Com a crescente diversificação do espectro de cargas de tráfego, materiais de pavimentação e condições climáticas, é fundamental que metodologias mecanísticas tomem a frente da engenharia rodoviária. Ficou evidente também que o uso de critérios de confiabilidade é de extrema importância para o dimensionamento de pavimentos para que estes sejam projetados de acordo com à sua importância. A consideração de níveis de confiabilidade permite, ainda, a análise racional da variabilidade dos dados de entrada e também das condições construtivas disponíveis. Dos métodos internacionais consultados verificou-se que o programa MEPDG prevê significativos benefícios com relação ao Guia AASHTO/1993 e tem capacidade para criar mudanças e adaptações no desenvolvimento de novos projetos pela melhor confiabilidade das condições mecânicas dos materiais. A metodologia empregada no Reino Unido foi uma das mais simplistas entre os procedimentos pesquisados. A metodologia apresentada pelo Instituto do Asfalto norteamericano também apresenta restrições principalmente no tangente aos processos de restauração, os quais ainda utilizam métodos de equivalência para considerar a capacidade residual da estrutura existente. O método australiano mostrou-se com uma boa estrutura funcional, ainda que bastante mais simples quando comparado ao MEPGD. O mesmo não faz considerações acerca das [email protected] 91 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 propriedades dos materiais asfálticos além do seu comportamento elástico, e as análises de dano ficam restritas ao comportamento à fadiga e afundamento de trilha de roda. Em relação aos procedimentos nacionais, é evidente o atraso tecnológico dos procedimentos preconizados pelo extinto DNER, mas que ainda encontram-se em vigor através do DNIT. O conhecido método do CBR, assim como o PRO10 e PRO11 são muito restritos em suas análises, com considerações puramente empíricas e de difícil uso para as condições atuais de engenharia. O PRO269, ainda seja considerado como método da resiliência, tem aplicações mecanísticas muito restritas, sendo essencialmente empírico, mas apresenta já o avanço na consideração do processo de fadiga de misturas betuminosas frente às outras normas do mesmo órgão. Dos métodos brasileiros, aquele proposto pela Prof. Laura Motta é um dos mais completos por levar em consideração critérios mecanísticos de degradação do pavimento, além de considerar critérios de confiabilidade. Existem vários trabalhos da autora que dão continuidade às pesquisas iniciadas no seu doutorado e acredita-se que o método evoluirá no primeiro método ME brasileiro. Dentre os métodos nacionais pesquisados parece ser o de melhor potencial de aplicabilidade. Em relação aos pavimentos rígidos, mostrou-se que os pavimentos de concreto são estruturas que, quando cuidadosamente projetadas, apresentam elevada durabilidade e poucas atividades de manutenção. Com a evolução dos métodos de dimensionamento, passou-se de uma análise puramente empírica para uma análise empírico-mecanística, contribuindo para que cada vez mais fatores sejam considerados como dados de entrada nos dimensionamentos. A possibilidade de se incluir ferramentas computacionais colaborou com o surgimento e difusão das análises mecanísticas. A inclusão dos efeitos de fadiga no método da PCA (1966), seguidos pela inclusão dos efeitos da erosão no método da PCA (1984) são considerados como importante avanços que serviram como base ao desenvolvimento dos métodos de cálculo atuais. Grandes trechos experimentais e ensaios acelerados que simulam a passagem de tráfego foram responsáveis pelos principais guias de dimensionamento com fundamentação puramente empírica (AASHTO, 1993; Highways Agency, 2006). O surgimento de novas técnicas para pavimentos rígidos mescla o avanço da tecnologia do concreto com a sustentabilidade na engenharia civil. Da mesma forma que os métodos de dimensionamento foram evoluindo com o passar dos anos, é de se esperar que novos materiais e técnicas de construção sejam também empregados nos pavimentos rígidos, colaborando com uma maior durabilidade, melhor desempenho, menor custo, e maior compromisso ambiental. Percebe-se, entretanto, que o surgimento das novas técnicas para pavimentos rígidos não acompanhou o avanço dos métodos de dimensionamento, sendo que a grande maioria deles ainda não está preparada para o projeto destas novas técnicas. Neste estudo três métodos de dimensionamento foram utilizados para o cálculo das espessuras de pavimentos de concreto simples com juntas e barras de transferência de esforços, sendo eles: Método da PCA (1984), Método da Highways Agency (2006) e Guia [email protected] 92 PESQUISA CONCEPA /ANTT 2009 da AASHTO (1993). O método da PCA não considera valores de resistência à flexão do concreto superiores à 4,5 MPa no procedimento simplificado de cálculo. O método da Highways Agency, por sua vez, é baseado somente na resistência à compressão do concreto, sendo que melhorias na resistência à flexão do concreto não são levados em consideração. Já o método proposto pelo Guia da AASHTO de 1993/98 foi o que mais possibilitou a compatibilidade com as novas técnicas para pavimentos rígidos, devido ao fato de considerar tanto a resistência à flexão como o módulo de elasticidade do concreto. Nenhum dos métodos analisados incluiu o comportamento pós-fissuração do concreto nas análises, primordial para concretos com adição de fibras. Também não se faz referência à possível redução dos esforços de retração causados pela inclusão de fibras ou diminuição da quantidade de cimento. Conclui-se assim, a grande importância de uma análise comparativa dos métodos quando do dimensionamento de um pavimento de concreto, para que se conheçam as limitações dos mesmos. O método brasileiro proposto preconizado pelo DNIT, apesar de datar de 2005, está embasado no método da PCA (1966 e 1984), e portanto requer atenção à limitação da resistência à tração máxima. Ademais, entre os métodos comparados o da AASHTO foi o que apresentou maior espessura de placa para o pavimento padrão quando do uso de concreto convencional. Já para os concretos especiais, não se encontrou uma concordância entre os métodos. A sistemática proposta pela Highways Agency foi a que resultou em um valor mais alto para o concreto Ultra-flexível pelo fato de não considerar o valor de resistência à flexão ou módulo de elasticidade do concreto; leva em conta apenas o valor de resistência à compressão do mesmo - propriedade esta de pouco interesse no dimensionamento de um pavimento devido ao estado de tensões nos mesmos. Por fim, nenhuma das técnicas pesquisadas faz referência ao comportamento pósfissuração do concreto, sendo que a ductilidade incorporada pela inclusão das fibras não é levada em consideração. Isto reflete uma fraqueza dos métodos disponíveis para o dimensionamento com uso de novos materiais, o que explicita a carência do desenvolvimento de metodologias mais completas para o dimensionamento de pavimentos de concreto com uso de novas tecnologias. Da análise realizada com o Software M-E PDG , é importante relatar o grande avanço em relação aos métodos elencados nos Capítulos 2 e 3 em relação os procedimento puramente empíricos, ou mecanístico empíricos apenas baseados em análises mecanísticas simples com correlações empíricas de vidas de fadiga e resistência ao desenvolvimento de deformações permanentes. A análise mostra a importância de verificar os vários parâmetros - ainda que no caso analizado o pavimento tenha atingido sua vida residual por apenas um limitador. As várias analises proporcionadas pelo M-E DPG indicam que lugares diferentes com características diversas de clima e tráfego poderiam levar a resultados diferentes. A possibilidade de antecipar a diversidade de materiais e o espectro de cargas a partir de análises mecanísticas abre um grande leque de oportunidades. [email protected] 93
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