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PROJETO DE ESTRADAS Concepção e dimensionamento de pavimentos flexíveis e rígidos Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: � Entender a definição de pavimento. � Identificar as diferenças entre pavimentos flexíveis e rígidos. � Diferenciar os métodos de dimensionamento de pavimentos. Introdução O aumento da importância do modal rodoviário na economia nacional exige a alocação cada vez maior de recursos para a adequada manuten- ção e conservação da malha existente e de futuras expansões. A rápida deterioração das estruturas de pavimento sem conservação, expostos ao clima, às solicitações de um tráfego cada vez mais pesado e numeroso tem reflexo imediato e compromete grande parte do orçamento dos gestores rodoviários. O dimensionamento apropriado de um pavimento asfáltico visa garantir que a repetição da passagem dos eixos dos veículos não irá causar defeitos que prejudiquem a segurança, o conforto e a condição de trafegabilidade. Dessa forma, torna-se importante entender a correta definição de pavimento identificando os diferentes tipos e formas de dimensionamentos, para assim obter o seu adequado dimensionamento. Neste capítulo, você aprenderá a concepção de pavimentos, também vai conhecer as diferenças entre pavimentos flexíveis e rígidos e, além disso, você aprenderá a diferenciar os métodos de dimensionamento de pavimentos. Concepção de pavimento Segundo Balbo (2007), pavimento é um sistema de camadas composto por diferentes tipos de materiais sobre a superfície final de terraplenagem, proposto técnica e economicamente a resistir aos esforços oriundos do tráfego de veículos e do clima, e a propiciar aos usuários melhoria nas condições de rolamento com conforto, economia e segurança. Dessa forma, para que as condições do pavimento permaneçam mantidas, deve-se conceber uma estrutura capaz de suportar um volume de tráfego preestabelecido por meio de um parâmetro que relacione algumas variáveis, tais como os fatores climáticos e o volume diário médio de veículos que passam pela rodovia, para que o pavimento não se degrade antes do tempo. Ainda, conforme Balbo (2007), proporcionando ao usuário uma condição de rolamento adequada, automaticamente, é proporcionado aos usuários uma expressiva redução nos custos operacionais, tendo em vista que os custos de operação e manutenção dos veículos são diretamente ligados às condições de superfície dos pavimentos. O manual de projeto e práticas operacionais para segurança nas rodovias do DNIT (BRASIL, 2006a) relata que para possuir um grau de segurança necessário, o pavimento deve atender alguns requisitos básico como, por exemplo, suportar os efeitos do mau tempo; permitir deslocamento suave; não causar desgaste excessivo dos pneus e alto nível de ruídos; ter estrutura forte; resistir ao desgaste; permitir o escoamento das águas e ter boa resistência a derrapagens. Além disso, para a estrutura de um pavimento funcionar adequadamente, todas as peças que a compõe devem trabalhar as deformações compatíveis com sua natureza e capacidade de suporte, isto é, de modo que nas camadas que constituem o pavimento não ocorram processos de ruptura prematura nos materiais. Para isso, conforme Senço (2001), deve-se conhecer bem as propriedades dos materiais utilizados na estrutura de um pavimento como: sua resistência à ruptura e sua permeabilidade e deformabilidade frente à repetição de carga e ao efeito do clima, para obter êxito no dimensionamento. Concepção e dimensionamento de pavimentos flexíveis e rígidos2 Aprenda mais sobre pavimentação no livro Pavimentação Asfáltica – Formação Básica para Engenheiros, Bernucci et al. (2008). Diferenças entre pavimentos flexíveis e rígidos Segundo DNIT (BRASIL, 2006a), os pavimentos são divididos basicamente em três tipos: pavimento flexível, rígido e semirrígido. A designação de pavimentos flexíveis, criada pelo Asphalt Institute em 1960, refere-se a um pavimento constituído por uma ou mais camadas de misturas betuminosas que assentam diretamente sobre camadas granulares. Em geral o pavimento flexível é constituído por quatro camadas: revestimento (camada que recebe diretamente a ação); base (camada destinada a resistir e distribuir os esforços advindos da base); sub-base (camada corretiva do subleito ou com- plementar à base); subleito (terreno de fundação do pavimento). Lembre-se de que pode haver ou não uma camada denominada reforço do subleito (Figura 1). Figura 1. Pavimento asfáltico. Fonte: Bernucci et al. (2008). Acostamento Base Camada de ligação ou binder Camada de rolamento Sub-base Pavimento �exível Reforço de subleito 3Concepção e dimensionamento de pavimentos flexíveis e rígidos De modo geral, pode-se dizer que os pavimento flexíveis são aqueles que sofrem deformações, porém essas transformações até certo limite não levam à ruptura da estrutura. Além disso, esse tipo de pavimento é dimensionado para a compressão e tração na flexão, e os carregamentos provocados pelo tráfego dão origem a bacias de deformações levando a estrutura a modificações permanentes e ao rompimento por fadiga (SENÇO, 1997). Os pavimentos flexíveis diferem-se dos rígidos não apenas pela caracte- rística do revestimento, mas principalmente pela forma como distribuem os esforços para as camadas inferiores. Nessas camadas, a carga se distribui em parcelas proporcionais à rigidez das camadas, sendo assim todas as camadas sofrem deformações elásticas significativa. As deformações até um limite não levam ao rompimento, visto que a qualidade do solo é importante, pois ele é submetido a altas tensões e absorve maiores deflexões. Na prática Para Yoder e Witczak (1975, p. 234), “[...] nos pavimentos flexíveis existem uma concen- tração dos esforços nos pontos de aplicação das cargas, sendo as tensões distribuídas em uma área relativamente pequena”. Desse modo, existe a concentração dos esforços nos pontos em que são aplicados, o que gera um acúmulo de esforços pontuais que desgastam a estrutura. Veja em realidade aumentada como funciona o movimento em pavimentos desse tipo. Aponte para o QR code ou acesse o link https://goo.gl/QfbWDC para ver o recurso. Concepção e dimensionamento de pavimentos flexíveis e rígidos4 Além do mais, os pavimentos flexíveis podem apresentar misturas betu- minosas fabricadas a quente ou a frio. As misturas betuminosas a frio não necessitam serem aquecidas, sendo produzidas, espalhadas e compactadas sem aquecimento dos materiais. Ainda, essas são compostas por agregados, aos quais se junta a emulsão betuminosa conhecida como ligante, podendo, ainda, adicionar-se água e aditivos. Os tipos de misturas a frio são diversos: agregado britado de granulometria extensa tratado com emulsão betuminosa; mistura betuminosa aberta a frio; microaglomerado betuminoso a frio; revestimento superficial betuminoso; e lama asfáltica. O pavimento rígido pode ser definido como aquele que apresenta uma camada de revestimento com uma rigidez superior às camadas inferiores, a qual absorve praticamente quase todas as tensões provenientes das tensões e deformações da placa. A pavimentação rígida tem como base a implementação de cimento como aglomerante hidráulico para a interligação dos agregados envolvidos no concreto, sendo a placa de cimento seu principal componente estrutural. Nesses pavimentos a espessura é fixada em função da resistência à flexão das placas de concreto e das resistências das camadas subjacentes. As placas de concreto podem ser armadas ou não com barras de aço (BERNUCCI et al., 2008; ALMEIDA et al., 2016). Normalmente os pavimentos rígidos são constituídos das seguintes cama- das: revestimento rígido, sub-base, reforço de subleito, adotado no caso de subleitos com baixa capacidade de suporte, e regularização o subleito (Figura 2). Figura 2. Pavimento asfáltico. Fonte: Bernucci et al. (2008). Placa de concreto Barra de transferência(metade isolada) Juntas de retração Reservatório do selante Imprimação asfáltica ou lona plástica Comprimento das placas usual entre 4 e 6m Sub-base Subleito 5Concepção e dimensionamento de pavimentos flexíveis e rígidos A estruturação do pavimento rígido é mais simples em relação ao flexível. As camadas de base e de revestimento no pavimento rígido são unidas em uma única, desempenhando as mesmas funções que as camadas de base na pavimentação asfáltica, necessitando apenas de mais uma camada de sub-base e eventual regularização do subleito da via (ALMEIDA et al., 2016). Já o pavimento semirrígido é caracterizado por apresentar uma base cimen- tada e revestimento flexível. Esse tipo de pavimento apresenta nível de defor- mação intermediário, sendo superior ao do flexível e inferior ao do rígido. Além do mais, os pavimentos semirrígidos estão sujeitos a deformações, geralmente estão presente em vias onde trafegam veículos pesados, porém não são indicados para locais com cargas estáticas, como, por exemplo, nos pontos de ônibus. Na prática As cargas nos pavimentos rígidos em geral são distribuídas de forma mais uniforme do que nos flexíveis. Dessa forma, os pavimentos rígidos tendem a distribuir a carga sobre uma área relativamente maior, diminuindo as tensões, e isso ocorre por apresentar um alto módulo de elasticidade e a sua rigidez (SENÇO, 1997). Veja em realidade aumentada como são distribuídas as cargas em pavimentos desse tipo. Aponte para o QR code ou acesse o link https://goo.gl/QfbWDC para ver o recurso. Concepção e dimensionamento de pavimentos flexíveis e rígidos6 Além disso, o pavimento semirrígido apresenta maior facilidade de ma- nutenção e implantação se comparado com o rígido, por isso é uma opção interessante para as obras que visam menores custos de execução. Assim como o flexível, que também pode passar pelo processo de reciclagem. Com relação aos materiais que compõe um pavimento, podem ser desta- cados os solos que sempre terão um papel importante atuando como subleito para a pavimentação. Outro material indispensável é o agregado. Este é usado em larga escala na composição da estrutura do pavimento, tendo em vista que a grande maioria ou até mesmo todas as camadas do pavimento possuem agregados e uma larga variedade de características que influenciam na sua utilização para a composição do pavimento (SENÇO, 1997). Quando é feita a utilização da pavimentação flexível, os betumes, que são uma mistura líquida que apresenta alta viscosidade de ocorrência natural ou artificial, são empregados na grande maioria dos revestimentos e divididos entre alcatrões derivados da destilação do carvão e asfaltos derivados de petróleo, também existem asfaltos que podem ser provenientes de depósitos lacustres ou rochas, sendo igualmente utilizados na pavimentação (BALBO, 2007). Para pavimentos rígidos e semirrígidos pode ser utilizados aglomerantes ou cimentos hidráulicos que podem ser: cal, cimentos naturais, cimento Portland, cimentos de endurecimento rápido, pozolanas, entre outros, sendo utilizados de acordo com o projeto ou disponibilidade local (BALBO, 2007). Leia mais sobre dimensionamento de pavimentos e sua importância na obra Pavimen- tação Asfáltica: materiais, projeto e restauração (BALBO, 2007). Dimensionamento de pavimentos flexíveis e rígidos O dimensionamento de estruturas de pavimentos asfálticos é um processo que compreende o conhecimento de variáveis de complexa previsão e modelagem como, por exemplo, as características dos materiais de pavimentação, o com- portamento em relação à aplicação das cargas dos mesmos, o próprio carre- 7Concepção e dimensionamento de pavimentos flexíveis e rígidos gamento e o tipo de resposta que a estrutura terá para suportar as cargas sob todas as variações climáticas durante o período de análise (FRANCO, 2007). Ao longo do século XX, os métodos de projeto de pavimentos asfálticos eram classificados em cinco categorias: métodos empíricos, com ou sem en- saio de resistência do solo; métodos que limitam a ruptura por cisalhamento; métodos que limitam a ruptura por deformação vertical; métodos baseados no desempenho de pavimentos em pistas experimentais; e métodos mecanístico- -empíricos (HUANG, 2003). No cenário atual, a qualidade da malha rodoviária implantada assume um importante papel perante a econômica do país, uma vez que os custos da pro- dução estão ligados ao meio de transporte dos mesmos, e, com isso, podem se tornar bastante elevados com uma malha rodoviária excessivamente degradada. A estrutura de pavimento é projetada e dimensionada para se ter condição operacional adequada ao longo de um período de projeto determinado, logo essa condição operacional vai sendo degradada ao longo do tempo devido a problemas construtivos, à passagem das cargas e às ações climáticas. O di- mensionamento das estruturas dos pavimentos deve garantir que o pavimento não venha sofrer ruptura estrutural dentro de um período determinado de projeto (MOTTA, 1991). Desse modo, existe atualmente um grande número de métodos para o dimensionamento da estrutura de pavimentos, sendo que a grande maioria é baseada em ideias empíricas. Métodos para pavimentos asfálticos Método do CBR O método do CBR, desenvolvido pelo engenheiro O. J. Porter da Califórnia Division of Highways (CDH), foi o primeiro método de dimensionamento de pavimentos flexíveis criado sobre bases estritamente empíricas. A primeira adaptação desse método foi realizada pelo USACE para aeródromos na 2ª Guerra Mundial. Muitas adaptações desse método são ainda hoje amplamente utilizadas para o dimensionamento de pavimentos asfálticos em diversos países. No Brasil, os grandes órgãos rodoviários do país utilizam como normas de dimensionamento os procedimentos adaptados do método do CBR, como, por exemplo, o DNIT. O critério básico de ruptura adotado é aquele por cisa- lhamento do subleito e camadas granulares, que causariam o aparecimento de sulcos nas trilhas de rodas (deformações permanentes) ou mesmo rupturas plásticas no subleito. Concepção e dimensionamento de pavimentos flexíveis e rígidos8 Os parâmetros de entrada principais desse método são: � tráfego: que é caracterizado pelo número de solicitações impostas ao pa- vimento pelo eixo-padrão que deu origem à curva de dimensionamento; � capacidade de suporte do subleito (CBR): medido pelo ensaio do Índice de Suporte Califórnia (ISC ou CBR). Embora esse método tenha sido elaborado sobre bases empíricas, é im- portante ressaltar que para a elaboração dos ábacos de dimensionamento foram realizados estudos teóricos envolvendo a teoria da elasticidade para extrapolação do método para cargas e combinações de cargas diferentes daquelas observadas em campo. Deste ponto de vista, pode-se considerar que a grande maioria das adaptações do método do CBR são, na realidade, métodos semiempíricos de dimensionamento. A maioria dos procedimentos de dimensionamento estrutural de pavimentos flexíveis empregados no país são baseados no método de dimensionamento do CBR. Sendo assim, consideram como principais parâmetros de projeto o índice de suporte do subleito (CBR) e o número N de repetições do ESRD de 80 kN, correspondente à carga-padrão rodoviária. As espessuras totais do pavimento são obtidas por meio de gráficos de dimensionamento e expressas em termos de material granular, podendo as diversas camadas efetivas serem substituídas por outros materiais mais nobres, sendo empregado o conceito de equivalência estrutural (SANTOS, 2011). Método do DNIT O método de dimensionamento de pavimento flexível do DNER (Departa- mento Nacional de Estradas de Rodagem), preparado pelo Engenheiro Murillo Lopes de Souza em 1966, baseia-se no trabalho Design of Flexible Pavements Considering Mixed Loads and Traffic Volume da autoria de Turnbull, Foster e Ahlvin (1962), do corpo de engenheiros do exército dos Estados Unidos, e nas conclusões obtidas na Pista experimentalda AASHTO (BRASIL, 2006b). Esse método tem como principal objetivo a proteção da estrutura dimen- sionada contra a ruptura por tensões de cisalhamento da camada do subleito. Dessa forma, determina-se a espessura total necessária para o pavimento, dada em termos de material granular, em função dos dados geotécnicos e das características de tráfego solicitante, sendo que o último parâmetro também é utilizado para a determinação da espessura mínima do revestimento asfáltico. Diante disso, determinadas essas espessuras, procede-se à determinação das 9Concepção e dimensionamento de pavimentos flexíveis e rígidos espessuras das demais camadas constituintes da estrutura do pavimento. Dadas em termos de material granular, as camadas são convertidas para es- pessuras reais dos materiais utilizados através dos coeficientes de equivalência estrutural, que expressam a relação entre a espessura de material granular e do material utilizado, de forma que ambos, nas respectivas espessuras, apresentem desempenho estrutural semelhante (SANTOS, 2011). O referido método é parte integrante da última edição do manual de pavimentação do DNIT de 2006 (BRASIL, 2006b). Método da AASHTO A concepção do método de dimensionamento da AASHTO teve seu início na década de 1950 nos Estados Unidos quando foi criada The AASHO Road Test. A American Association of State Highway Officials (AASHO) realizou um estudo do desempenho de vários tipos de estruturas de pavimento por meio da avaliação dos efeitos das cargas do tráfego de magnitude e frequência conheci- das. A pista experimental contemplou tanto seções rígidas quanto asfálticas. As informações adquiridas na pista experimental foram cruciais para o progresso dos estudos de desempenho de pavimentos, dimensionamento estrutural, equi- valência de carga e efeitos climáticos. Com as informações vieram os gráficos e as equações de dimensionamento utilizados no guia de dimensionamento da AASHTO. As pesquisas realizadas na pista experimental da AASHO Road Test, que mais tarde resultariam no método da AASHTO/93, representaram um grande salto de qualidade para os novos métodos de dimensionamento de estruturas de pavimento. O método da AASHTO/93, embora seja um método desenvolvido com bases empírico-estatísticas, leva em consideração a maior quantidade de variáveis que podem influenciar no desempenho da estrutura, em comparação ao método do CBR (SANTOS, 2011). Métodos para pavimentos rígidos Método da Pca O método da PCA/1984 (Portland Cement Association) é um método empírico mecanístico de dimensionamento de pavimentos de CCP (concreto de cimento Portland). Esse método utiliza a avaliação mecanicista e modelos de desem- penho por fadiga do concreto e de erosão das placas de CCP. São utilizados Concepção e dimensionamento de pavimentos flexíveis e rígidos10 ábacos para a determinação das tensões atuantes que foram elaborados com base no cálculo de tensões através de métodos de elementos finitos (MEF), que permite a análise das placas como elementos de dimensões finitas. O método de 1984 é fundamentado exclusivamente no modelo de fadiga do concreto. Além disso, o método da PCA/84 aplica-se tanto a pavimentos de concreto simples e com barras de transferência, quanto aos dotados de armadura distribuída, descontínua, e é utilizado um modelo de análise estrutural por elementos finitos. Outros tópicos que o novo processo leva em conta são: o tipo e o grau de transferência de carga nas juntas transversais; os efeitos da existência ou não de acostamentos de concreto; a contribuição estrutural das sub-bases de concreto rolado ou sub-bases tratadas com cimento; a ação dos eixos tandem triplos; e introduz o modelo de ruína por erosão de fundação do pavimento, o qual inclui o modelo de ruína por formação de degraus ou escalonamento nas juntas transversais, usando-o concomitantemente com o tradicional modelo de fadiga. O sistema permite combinar facilmente dife- rentes fatores de projeto, propiciando a análise acelerada de muitas soluções alternativas (SANTOS, 2011). Método da AASHTO O método de dimensionamento de pavimentos de CCP da AASHTO/1993 é um método basicamente empírico que tem como base os resultados obtidos na pista de testes da AASHO. Assim como o método de dimensionamento de pavimentos asfálticos contido no guia, o método de pavimentos rígidos oferece um modelo de dimensionamento baseado no desempenho do índice de serventia – PSI. Note-se que os modelos da AASHTO, tanto para pavimento asfáltico quanto rígido tem uma forma bastante similar. Para a determinação da estrutura, o período de projeto é normalmente considerado como 20 anos (SANTOS, 2011). Aprenda mais sobre dimensionamento de pavimentos na obra Mecânica do pavimentos (MEDINA; MOTTA, 2015). 11Concepção e dimensionamento de pavimentos flexíveis e rígidos ALMEIDA, M. A.; et. al. Análise Comparativa de Métodos de Pavimentação – Pavi- mento Rígido (concreto) x Flexível (asfalto). Revista Científica Multidisciplinar Núcleo Do Conhecimento, v.10, p. 187-196. São Paulo: Oficina de Textos, 2007. BRASIL. Ministério dos Transportes. Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes. Manual de estudos de tráfego. Rio de Janeiro: DNIT, 2006a. (IPR. Publicação 723). Disponível em: <http://ipr.dnit.gov.br/normas-e-manuais/manuais/documen- tos/723_manual_estudos_trafego.pdf>. Acesso em: 14 jan. 2018. BRASIL. Ministério dos Transportes. Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes. Manual de pavimentação. Rio de Janeiro: DNIT, 2006b. (IPR. Publicação 719). Disponível em: <http://www1.dnit.gov.br/arquivos_internet/ipr/ipr_new/ma- nuais/Manual%20de%20Pavimenta%E7%E3o_05.12.06.pdf>. Acesso em: 14 jan. 2018. FRANCO, F. A. C. P. Método de dimensionamento mecanístico-empírico de pavimento asfálticos - SISPAV. 2007. Tese (Doutorado em Ciências em Engenharia Civil)- Univer- sidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2007. HUANG, Y. H. Pavements analysis and design. 2. ed. New Jersey: Prentice Hall, 2003. MEDINA, J.; MOTTA, L. M. G. Mecânica dos pavimentos. 3. ed. Rio de Janeiro: Interci- ência, 2015. MOTTA, L. M. G. Método de dimensionamento de pavimentos flexíveis: critério de con- fiabilidade e ensaios de cargas repetidas. 1991. Tese (Doutorado em Engenharia)- Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 1991. SANTOS, C. R. G. Dimensionamento e análise do ciclo de vida de pavimentos rodoviários: uma abordagem probabilística. 2011. Tese (Doutorado em Engenharia de Transpor- tes)- Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2011. SENÇO, W. de. Manual de técnicas de pavimentação. São Paulo: Pini, 1997. v. 1. SENÇO, W. de. Manual de técnicas de pavimentação. 2. ed. São Paulo: Pini, 2001. v. 1. YODER, E. J.; WITCZAK, M. W. Principles of pavement design. 2. ed. New York: John Wiley & Sons, 1975. Leituras recomendadas BERNUCCI, L. B. et al. Pavimentação asfáltica: formação básica para engenheiros. Rio de Janeiro: Petrobrás; ABEDA, 2008. SOUZA, M. L. de. Pavimentação rodoviária. Rio de Janeiro: Artes Gráficas Schulze, 1976. v. 1. Concepção e dimensionamento de pavimentos flexíveis e rígidos12 Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados, e seu fun- cionamento foi comprovado no momento da publicação do material. No entanto, a rede é extremamente dinâmica; suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo. Assim, os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade, precisão ou integralidade das informações referidas em tais links. 13Concepção e dimensionamento de pavimentos flexíveis e rígidos