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PROJETO ESTRUTURAL DE PAVIMENTO FLEXÍVEL PARA O PORTO DO AÇU Norton de Figueiredo Neto Projeto de graduação submetido ao corpo docente do curso de engenharia civil da escola politécnica da universidade federal do rio de janeiro como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Civil. Dezembro/2019 “SÓ HÁ PROBLEMA, QUANDO HÁ SOLUÇÃO” Og Gomes de Sá PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO CIVIL. Examinado por: ________________________________________________ Profa. Sandra Oda – DET/POLI/UFRJ ______________________________________________ Profa. Vivian Karla Castelo Branco Louback Machado Balthar - – FAU/UFRJ ________________________________________________ Eng. Felipe Costa Dias – PET/COPPE/UFRJ RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL Dezembro de 2019. Figueiredo Neto, Norton de Projeto estrutural de pavimento flexível para Porto do Açu. xii, 73 p.:il.; 29,7 cm. Orientador: Sandra Oda Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Civil, 2019. Referências Bibliográficas: p. 42-43 1. Introdução 2. Pavimentação Flexível 3. Estudo de caso 4. Dimensionamento 5. Referências bibliográficas I. Oda, Sandra; II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Civil. III. Estudo sobre o projeto estrutural de pavimento flexível para porto do açu com foco na espessura Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Civil. PROJETO ESTRUTURAL DE PAVIMENTO FLEXÍVEL PARA O PORTO DO AÇU Norton de Figueiredo Neto Dezembro/2019 Orientadora: Sandra Oda Curso: Engenharia Civil O transporte marítimo depende da infraestrutura oferecida pelos portos e de seus terminais. O pavimento dessas estruturas deve apresentar desempenho devidamente dimensionado no projeto estrutural e a categoria dos pavimentos flexíveis, atualmente, oferece uma das melhores qualidades à operação. Este trabalho apresenta o tipo de solução em questão e propõe nova estrutura em caso de expansão e aumento de carga em relação à atualmente utilizada no Porto do Açu, considerando suas características físicas e de carregamento. O trabalho consistirá em apresentar as características da pavimentação flexível e seu dimensionamento, estudo de caso e dimensionamento do projeto apresentado com apresentação da representação gráfica do pavimento em questão. Palavras-chave: pavimento flexível, Porto do Açu, projeto de pavimento AGRADECIMENTOS De forma breve e resumida, gostaria de agradecer a todos que fizeram que essa longa jornada fosse possível. À minha família, pelo suporte incondicional, amor e apoio durante todos os anos. Meu diploma será mais de vocês que meu. Aos meus colegas de engenharia Naval que apoiaram minha decisão de troca de curso e me deram força para me preparar para engenharia Civil. Aos meus novos colegas de civil, que foram de extrema importância na minha adaptação e sempre se mostraram disponíveis. Aos professores e funcionários que são nomes renomados em praticamente todas as áreas de nossa formação. E principalmente, às boas pessoas que estão sempre dispostas à ajudar, independente de sua função ou cargo dentro da instituição, já que muitas vezes temos momentos de dificuldade em nossa caminhada e elas nos surpreendem com sua existência, como uma luz no fim do túnel. Dentro dessas pessoas boas, gostaria de destacar minha coordenadora, professora, e em todos sentidos da palavra, orientadora Sandra Oda. Por ter sido a primeira e a última pessoa a estar sempre disponível para me ouvir e aconselhar, dentro desta minha jornada na engenharia civil. Muito obrigado. 8 SUMÁRIO 1- INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 10 2 – PAVIMENTO FLEXÍVEL............................................................................................. 14 2.1 – VISÃO GERAL ....................................................................................................... 14 2.2 – CAMADAS............................................................................................................ 15 2.2.1 – SUBLEITO.......................................................................................................... 16 2.2.2 – SUB-BASE ......................................................................................................... 16 2.2.3 – BASE ................................................................................................................. 17 2.2.4 – REVESTIMENTO ................................................................................................ 17 2.3 – SERVIÇOS ............................................................................................................ 17 2.3.1 – PINTURA DE LIGAÇÃO ....................................................................................... 17 2.3.2 – IMPRIMAÇÃO ................................................................................................... 18 2.3.3 – FRESAGEM ....................................................................................................... 19 2.3.4 - DOSAGEM ......................................................................................................... 19 2.4 – DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTO.................................................................. 21 2.4.1 – DETERMINAÇÃO DO ISC .................................................................................... 21 2.4.2 – DETERMINAÇÃO DO NÚMERO N ...................................................................... 21 2.4.3 – COEFICIENTE DE EQUIVALÊNCIA (k) .................................................................. 24 3 – ESTUDO DE CASO ................................................................................................... 28 3.1 - O PORTO DO AÇU ................................................................................................. 28 3.1.1 – TERMINAL 1 (T1) ............................................................................................... 29 3.1.2 – TERMINAL 2 (T2) ............................................................................................... 30 3.1.3 – TERMINAL MULTICARGAS ................................................................................. 32 3.2 – EXPANSÃO ........................................................................................................... 34 4 – PROJETO DE PAVIMENTAÇÃO ................................................................................. 35 4.1 - CARACTERIZAÇÃO DO SUBLEITO........................................................................... 35 9 4.2 - NÚMERO DE SOLICITAÇÕES DO EIXO PADRÃO (N) ............................................... 36 4.3 – DIMENSIONAMENTO ........................................................................................... 37 4.4 - VERIFICAÇÃO DAS CAMADAS ............................................................................... 38 4.6 – ESQUEMA ESTRUTURAL DAS CAMADAS DO PAVIMENTO..................................... 41 5 – CONSIDERAÇÕES FINAIS E SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS ........................... 43 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 4410 1- INTRODUÇÃO Um sistema de transporte é constituído por três tipos de componentes: veículos, terminais e vias. No modo marítimo de transporte, os veículos são embarcações e as vias são rotas marítimas (GOLDBERG, 2009). Os engenheiros civis têm função significativa na construção dos terminais e na parte logística de um sistema de transporte. O modo marítimo de transporte, contudo, apresenta a peculiaridade de as vias não serem objetos como rodovias, mas regiões de delimitação para o tráfego dentro do espaço marítimo. Já a construção de um terminal envolve grandes desafios. Por ser uma obra de grande porte, que demanda alto desempenho operacional e elevados critérios de segurança, torna-se necessário o emprego das mais avançadas técnicas construtivas e controle tecnológico. O projeto então deve levar em consideração estes aspectos, sobretudo, contemplando também os custos de implantação e de posterior manutenção. Um elemento central na operação comercial de um porto é o nível de qualidade da infraestrutura do terminal. É necessário que as condições ofertadas à estocagem e circulação da carga atendam aos padrões esperados de eficácia, segurança e conforto, de modo que o porto mantenha-se competitivo (GOLDBERG, 2009). O pavimento é a estrutura responsável por receber diretamente a carga vertical dos guindastes, caminhões e containers e transmiti-las à fundação (subleito). Subleito é o terreno natural, onde o solo deve estar preparado e bem compactado para suportar a estrutura ou sistema de pavimentação. A fundação pode, ainda, ser reforçada com uma camada corretiva adicional (reforço do subleito). Além da camada de reforço, o pavimento pode ainda ser constituído por mais camadas: revestimento, base e sub-base (Figura 1.1). A base é a camada que fornece suporte estrutural, a sub-base evita o fenômeno de bombeamento do subleito e o revestimento é a camada de rolamento do tráfego e desgaste (CAPUTO, 1983). 11 Figura 1.1: Camadas do pavimento (CAPUTO, 1983) Os pavimentos são normalmente separados em duas categorias: rígidos e flexíveis. A diferença estrutural se dá na forma como são distribuídas as tensões. O pavimento rígido oferece maior distribuição pressão na fundação, enquanto o flexível, aprsenta maior concentração de pressão na fundação (Figura 1.2) (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CIMENTO PORTLAND, 2010) Figura 1.2: Categorias de pavimento (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CIMENTO PORTLAND, 2010) 12 Os pavimentos rígidos tem boa resistência às tensões de tração em que se originam na flexão e não acompanham as deformações do subleito, em que relação aos flexíveis que, por sua vez, se adaptam mais facilmente às deformações do subleito sem tensões adicionais. (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CIMENTO PORTLAND, 2010) A composição do revestimento também é diferente (Figura 1.3). Pavimentos rígidos usualmente utilizam placas de concreto de cimento Portland, enquanto os revestimentos de pavimentos flexíveis são compostos por misturas asfálticas (CAPUTO, 1983). Figura 1.3: Tipos de pavimentos (CAPUTO, 1983). As principais variáveis de escolha do tipo de pavimento estão vinculadas a composição de tráfego que irá solicitar o pavimento e, consequente, ao carregamento que o porto irá operar, além da disponibilidade de materiais e condições climáticas do local. Também são consideradas a frequência de operação, a qualidade do subleito e os custos de manutenção e construção (CAPUTO, 1983). O pavimento flexível portuário apresenta desempenho distinto daquele destinado a rodovias. Os fundamentos qualitativos de projeto a serem considerados em ambos os casos são geralmente os mesmos. As diferenças surgem, contudo, em caráter quantitativo. A Tabela 1.1 apresenta, em resumo, as principais peculiaridades de rodovias e de portos. 13 Tabela 1.1: Comparação quantitativa entre rodovias e portos ASPECTO RODOVIAS PORTOS Densidade de Tráfego Alta Baixa Carregamento Peso de Caminhões (Médio) Peso de carga e maquinário (Alto) Posição do Carregamento Maior parte nos bordos Centralizado em rotas terminais A realização deste trabalho se dá pelo estudo e proposição de projeto estrutural de pavimento flexível no Porto do Açu em um de seus terminais. Este tema é de grande importância para a discussão sobre alternativas para pavimentação de portos. O objetivo deste trabalho foi dimensionar um novo pavimento para o terminal do porto. Neste trabalho, o caso do porto do Açu é utilizado como referência de caráter acadêmico. A estrutura do trabalho consiste na exposição do método de dimensionamento, fundamentação da obtenção dos parâmetros necessários a esse método (Capítulo 2). Após este embasamento, é feito um estudo de caso, em que as características do porto do Açu são apresentadas (Capítulo 3). Em seguida, são utilizados os parâmetros específicos do caso para um novo dimensionamento e, ao término, são apresentados os resultados finais estimados para espessura da estrutura de pavimento (Capítulo 4). 14 2 – PAVIMENTO FLEXÍVEL 2.1 – VISÃO GERAL O pavimento flexível (Figura 2.1) é composto por diferentes camadas que são determinadas em função do carregamento ao qual deve resistir e das características do subleito da região onde será executada a obra. Sua estrutura normalmente é composta por revestimento asfáltico, base, sub-base e reforço do subleito. Figura 2.1: Estrutura de um pavimento flexível (SPTSONDAGENS, 2019). Esse tipo de pavimento pode ter resistência muito variável, na medida que, por ser realizado com material asfáltico, a espessura em sua camada de revestimento é determinante para o aumento ou diminuição da resistência (BALBO, 2007). Por conta de seu caráter flexível, a absorção de esforços é feita de forma parcial entre as camadas verticais, porém geralmente concentradas próximo ao local onde a carga é aplicada (BALBO, 2007). O pavimento flexível pode ser definido como o tipo em que todas suas camadas sofrem deformação elástica de forma significativa, quando se encontra carregado. Além disso, segundo o Manual de Pavimentação do DNIT (2006), a distribuição da carga entre as camadas é relativamente equivalente. 15 2.2 – CAMADAS Após a terraplanagem do local serão construídas, acima do subleito, as camadas que compõem a estrutura do pavimento e variam de acordo com o tráfego. Os esforços que chegam ao subleito são dispersos, em geral, em seu primeiro metro de profundidade (BALBO, 2007). Em razão disso, é necessário que haja uma maior atenção em relação ao projeto de suas camadas superiores, pois é o local onde o carregamento solicitante tem maior atuação. A composição do subleito se dá por material natural ou transportado (em caso de aterros), posteriormente compactado e consolidado. Segundo o Departamento de Estradas de Rodagem (2006), o subleito deve apresentar: Índice de Suporte Califórnia (ISC) superior à 2% 100% do grau de compactação mínimo Proctor Normal ou 100% do Proctor Intermediário, em caso de solos finos lateríticos ou granulares. Expansão máxima de 2%. Caso a estrutura de pavimentação vá ser implantada em estradas já existentes, o aproveitamento do subleito na profundidade de 0,2 m abaixo do greide deve ser umedecido, escarificado e compactado. Caso haja ocorrência de solos com ISC inferior à 2%, é necessária a revisão geotécnica da espessura da camada e posterior substituição, obedecendo os critérios estabelecidos (INSTRUÇÃO DE PROJETO, do Departamento de Estradas de Rodagem do Rio de Janeiro' de 2006). 16 2.2.1 – SUBLEITO O primeiro passo a ser dado em relação ao subleito é sua regularização, que pode ser feita em corte do leito implantado ou em sua sobreposição. O principal objetivo é conferir à superfíciecaracterísticas geométricas, como inclinação transversal e rampas, para o pavimento acabado. Após sua regularização, há uma avaliação do solo e do esforço que será solicitado para definição de um possível reforço do subleito. Essa é uma camada construída acima da regularização, de espessura constante e serve de complemento à sub-base (camada situada logo acima). Ou seja, o reforço também contribui para resistência e distribuição dos esforços verticais, porém deixando a absorção destes esforços para o subleito propriamente dito (SENÇO, 2007). Como dito anteriormente, o emprego do reforço não é obrigatório, uma vez que o aumento da espessura das camadas acima serviria para o mesmo propósito. Porém, por questões econômicas, procura-se, sempre que necessário utilizar este recurso. Segundo o Departamento de Estradas de Rodagem (2006), solos de ISC superior ao do subleito e com expansão máxima de 1% são os indicados para camada de reforço (BALBO, 2007). 2.2.2 – SUB-BASE Na mesma lógica anterior, a sub-base é uma camada de complemento à base, que existe para circunstâncias em que não é aconselhável que se construa a base diretamente sobre o reforço ou regularização do subleito. O material que constitui a sub-base deve ter características superiores ao do reforço e inferiores ao material que constitui a base (BALBO, 2007). Segundo Departamento de Estradas de Rodagem (2006), os solos (sejam eles misturas, pétreos ou quimicamente estabilizados) devem apresentar ISC (capacidade de suporte) igual ou superior a 30% e expansão máxima de 1%. 17 2.2.3 – BASE Localizada abaixo do revestimento, a base é a camada estrutural mais importante do pavimento, uma vez que é a responsável por reduzir a intensidade das cargas que serão dissipadas para as próximas camadas. É imprescindível que o material constituinte seja de boa qualidade, caso contrário é bastante provável que aconteçam danos ao pavimento. Sua função é tão essencial, que o pavimento pode ser constituído apenas de base e revestimento. A base poderá ou não ser complementada por sub-base e reforço do subleito. Segundo o Departamento de Estradas e Rodagem (2006), os materiais empregados na camada de base do pavimento devem possuir ISC superior ou igual a 80% e expansão máxima de 1%. 2.2.4 – REVESTIMENTO É a camada que recebe diretamente a carga atuante provinda do tráfego e é também a última camada da estrutura. Sua espessura vai variar de acordo com a resistência do subleito e seu material deve ser de boa qualidade, uma vez que, além de resistir aos esforços também é responsável pelo bom rolamento da pista. O custo de material é, proporcionalmente, o maior da estrutura e, portanto, deve ter sua espessura corretamente dimensionada. Além de resistir ao desgaste, é a camada que deve ser o mais impermeável possível e responsável pelo conforto, durabilidade e segurança da estrutura. 2.3 – SERVIÇOS 2.3.1 – PINTURA DE LIGAÇÃO É executada com objetivo de aumentar a aderência entre a camada asfáltica e o revestimento que será executado (Figura 2.2). É feita com aplicação de ligante asfáltico (RR-1C) sobre superfície de base ou revestimento. As diretrizes e 18 equipamento necessários para execução deste serviço podem ser encontrados na norma 145/2012-ES do DNIT. Figura 2.2: Execução de pintura de ligação sobre pavimento existente (ODA, 2016). 2.3.2 – IMPRIMAÇÃO Esse tipo de ação tem como objetivo impermeabilizar, aumentar a aderência e conferir coesão superficial entre a base e o revestimento (Figura 2.3). Segundo a norma 144/2014 do DNIT, consiste em aplicar emulsão asfáltica ou asfalto diluído antes da execução do revestimento, sobre a superfície da base. Figura 2.3: Execução de imprimação (ODA, 2016). 19 2.3.3 – FRESAGEM É um procedimento utilizado apenas quando se vai executar uma nova camada sobre um pavimento existente e consiste na realização de corte a frio de uma ou mais camadas do pavimento (Figura 2.4). As diretrizes e equipamentos necessários podem ser encontrados na norma 159/2011-ES do DNIT. Figura 2.4: Execução de fresagem do revestimento (ODA, 2016). 2.3.4 - DOSAGEM É um processo que visa determinar a combinação dos materiais que constituirão as camadas, portanto é necessário que haja uma boa avaliação e caracterização dos mesmos de modo a garantir que o pavimento tenha um bom desempenho. A falta de conhecimento das características dos materiais constituintes e suas propriedades é uma das principais causas do insucesso da estrutura do pavimento. A proporção de cada material em suas misturas podem ser definidas mediante a diferentes métodos. Alguns dos mais conhecidos e utilizados hoje em dia são: o método das tentativas (consiste em acertar as proporções de material por meio de tentativas, utilizando combinações que atendam aos limites especificados de cada material), o método de Ruthfucs (é o mais utilizado entre os métodos gráficos, por conta de sua praticidade e eficiência e consiste em determinar graficamente uma mistura que se enquadre na faixa especificada, Figura 2.5) e o método de Bailey (é um metodo que visa impedir possíveis fadigas e desgastes 20 por focar na obtenção de uma mistura que apresente um maior intertravamento dos agregados graúdos, Figura 2.6). Figura 2.5: Exemplo de dosagem pelo método Ruthfucs (ODA, 2016). Figura 2.6: Exemplo de dosagem pelo método Bailey (ODA, 2016). 21 2.4 – DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTO O método de dimensionamento mais utilizado hoje em dia no Brasil foi desenvolvido na década de 1970 pelo Eng. Murilo Lopes de Souza, mas foi publicado somente em 1981 e é conhecido como Método do DNER ou Método do CBR. O procedimento consiste, em resumo, em determinar as espessuras das camadas que constituem a estrutura do pavimento de forma à atender o número de operações de um eixo considerado padrão (número N). Para essa determinação, o ensaio conhecido como Índice de Suporte Califórnia ou California Bearing Ratio (ISC / CBR) torna-se indispensável. O método do DNER relaciona dados dos materiais do subleito com valores de tráfego por meio de ábacos, para cada tipo de pavimento. 2.4.1 – DETERMINAÇÃO DO ISC A norma que define as diretrizes para determinar o valor CBR é a norma 172/2016-ME do DNIT. Em qualquer cálculo de pavimento, a determinação deste índice é o fator mais importante. 2.4.2 – DETERMINAÇÃO DO NÚMERO N O dimensionamento é feito com base em um número equivalente (N) de operações durante um período de projeto (p) em um eixo tomado como padrão. Deve ser considerado o prazo de duração do pavimento, os tipos e a quantidade de veículos que vão transitar pela via e as cargas por eixo de cada tipo de veículo. Vp = Vo . (1 + p . t) onde: Vo = Veículo Diário Médio inicial em um sentido; t = taxa média anual de crescimento de tráfego; Vp = Veículo Diário Médio em um sentido, no fim do período p; p = número de anos de projeto 22 O volume diário médio será: Vm = (Vo + Vp ) / 2 O volume total de tráfego durante o período de projeto será: Vt = 365. P . Vm Considerando uma taxa não linear de crescimento t, temos: Vp = Vo . (1 + t) . p Sendo assim, o volume total de tráfego será: Vt = 365 . Vo . ((1 + t) p – 1) / t) Portanto, o número de operações, N, durante o período de projeto é equivalente a: N = 365 x p x Vm x FE x FC x FR N = Vt x FE x FC FE x FC = FV N = Vt . FV onde: FC: fator de Carga FV: fator de veículo FE: fator de eixos Em que os fatores de carga e de eixos podem ser definidos da seguinte forma: FE: % veíc. de 2 eixos x 2 + % veíc. de 3 eixos x 3 + ... FC: % de cargas por eixo (tandem e simples) x FEO (ábacos)= (% eixos x FE) FR é o fator climático regional, adotado FR = 1,00 no Brasil, pois é relacionadoa altura média anual de chuva. Os ábacos necessários para determinação dos fatores de equivalência para realizar o cálculo do fator de carga são apresentados nas Figuras 2.6, 2.7 e 2.8. 23 Figura 2.6: Fator de equivalência de operações, Eixo Simples – FEO (ODA, 2016). Figura 2.7: Fator de equivalência de operações, Tandem duplo – FEO (ODA, 2016 24 Figura 2.8: Fator de equivalência de operações, Tandem Triplo – FEO (ODA, 2016 2.4.3 – COEFICIENTE DE EQUIVALÊNCIA (k) Variando de acordo com o tipo de camada ou material, o coeficiente de equivalência é um valor que será determinado para cada camada do pavimento. Esse coeficiente varia da forma apresentada na Tabela 2.1. Tabela 2.1: Coeficientes estruturais Fonte: SOUZA, 1981. 25 O gráfico apresentado na Figura 2.9 relaciona o número de operações do eixo padrão com valores de espessura com coeficiente de equivalência estrutural k = 1,00 (para valores de CBR ou IS). - CBR + Número N » espessura da camada - Espessura Hm » espessura total da camada de material cujo CBR = m - Espessura hn » espessura para CBR = n Figura 2.9: Gráfico de dimensionamento do método do DNER (SOUZA, 1981) A Tabela 2.2 relaciona a espessura mínima que deve ser utilizada com o número N, no caso da espessura do revestimento. 26 Tabela 2.2: Espessura mínima do revestimento em função do N. N Espessuras mínimas do revestimento N < 10 6 Tratamentos superficiais 10 6 ≤ N < 5x10 6 Concreto asfáltico com 5,0cm de espessura 5x10 6 ≤ N < 10 7 Concreto asfáltico com 7,5cm de espessura 10 7 ≤ N < 5x10 7 Concreto asfáltico com 10,0cm de espessura N ≥ 5x10 7 Concreto asfáltico com 12,5cm de espessura Fonte: SOUZA, 1981 Depois de obtidos os valores referentes às espessuras H (Hm, Hn e H20) (utilizando os gráficos de dimensionamento, Figura 2.9), e R (Tabela 2.2 de espessura mínima de revestimento), os valores de B (espessuras da base), h20 (espessura da sub-base, e hn (espessura do reforço do subleito) são determinados a partir das seguintes inequações: - RkR + BkB > H20 (1) - RkR + BkB + h20ks > Hn (2) - RkR + BkB + h20ks + hnkRef > Hm (3) Em que kR, kB, kS, e kRef são os coeficientes estruturais referentes a, respectivamente: revestimento, base, sub-base e reforço. Para materiais granulares devem ser atendidas as seguintes características mínimas: - Reforço do subleito: CBR maior que o do subleito Expansão menor ou igual a 2% - Sub-base: CBR maior ou igual a 20% Expansão menor ou igual a 1% 27 - Base: CBR maior ou igual a 80% (ou 60% caso N < 106) Expansão menor ou igual a 0,5% Limite de Liquidez menor ou igual a 25% Índice de plasticidade menor ou igual a 6% O esquema da Figura 2.10 apresenta uma estrutura de pavimento genérica, com suas respectivas camadas e nomenclaturas. Figura 2.10: Estrutura genérica de um pavimento flexível (ODA, 2016). 28 3 – ESTUDO DE CASO 3.1 - O PORTO DO AÇU O Porto do Açu foi construído e desenvolvido pela Prumo Logística, uma holding que possui como sócio majoritário o EIG Global Energy Partners e possui algumas outras participações nas industrias de: transporte de minério de ferro, transbordo de petróleo, combustíveis marítimos, reparo e manutenção naval, além do projeto em fase de desenvolvimento de duas termoelétricas. (PRUMO LOGISTICA, 2018). O Porto do Açu está localizado no município de São João da Barra (norte do estado do Rio de Janeiro), cerca de 150km de distância da Bacia de Campos (Figura 3.1). Figura 3.1: Posição estratégica do Porto do Açu (PRUMO LOGISTICA, 2019). 29 3.1.1 – TERMINAL 1 (T1) Mais conhecido como “Terminal Offshore” (Figura 3.2), é um terminal onde estão alocadas 2 empresas da holding Prumo: - FERROPORT Joint-venture entre a Prumo Logística e a Anglo American (controla a operação) que traz minério de ferro através de um mineroduto que será tratado e exportado para China. Seu contrato é de 25 anos com um volume de 26,5 milhões/ton/ano (4º maior terminal privado de exportação deste tipo de produto em 2017) (PRUMO LOGISTICA, 2019). - AÇU PETRÓLEO Joint-venture entre Oil Tanking e Prumo Logística (controla a operação) que realiza transbordo de petróleo, possuindo 3 berços, recolhe óleo cru e transborda para posterior exportação em uma embarcação maior. Seu contrato é de 3 anos com a Galp e 20 anos com a Shell, tendo um volume mínimo de 200mil barris/dia (PRUMO LOGISTICA, 2019). 30 Figura 3.2: Terminal Offshore do Porto do Açu (PRUMO LOGISTICA, 2019) 3.1.2 – TERMINAL 2 (T2) Por sua vez, conhecido como “Terminal Onshore” (Figura 3.3), o terminal 2 possui 300m de largura, 14km de cais, 6,5km de extensão e profundidade variando de 10 a 14,5m. Tem uma área locável de 55km² e total de 90km² em sua retroárea. (PRUMO LOGISTICA, 2019) Possui dois molhes como forma de suporte para operações de óleo e gás como manutenção, troca de turma e atracação. 31 Figura 3.3: Terminal Onshore do Porto do Açu (PRUMO LOGISTICA, 2019) Segundo dados da Prumo Logística, desde 2018, estavam estabelecidas dentro do terminal 2 estabelecidas importantes empresas como: EDISON CHOUEST – Possui 7 berços dedicados (Petrobras e Chevron), sendo a maior base de apoio offshore da América Latina. INTERMOOR – Serviços de ancoragem e atracações WARTSILA – Detentora de uma fábrica hibernada no próprio porto e em busca de novos negócios. NOV – Possui uma fábrica de dutos flexíveis no próprio porto para exploração de óleo e gás. TechnipFMC – Concorrente da NOV, também possui uma fábrica no porto. Além disso, possui outras estruturas importantes em desenvolvimento como heliporto e centro de conveniência. 32 O Porto do Açu se localiza a 6 horas de navegação da Bacia de Campos, metade do tempo levado do mesmo local à Macaé. Por isso, possui uma posição estratégica para o mercado de óleo e gás. 3.1.3 – TERMINAL MULTICARGAS Mais conhecido como “T-MULT”, o terminal multicargas está inserido no primeiro dente do Terminal Onshore (T2) e é responsável por movimentar granéis (como carvão, sucata, coque e bauxita) e cargas de projeto (pás eólicas, caminhões fora de estrada e bobinas), além de duas sondas em hibernação em um de seus berços. Por possuir grande disponibilidade de cais e baixa burocracia (é um terminal privado em um porto privado), o T-MULT é uma ótima opção logística para seus clientes. Além disso, é um terminal alfandegado que conta com código internacional de segurança de instalações portuárias e navios (norma internacional de segurança e monitoramento). Sob a responsabilidade da Porto do Açu Operações S.A, o terminal conta com diversas vias de acesso, área administrativa, estacionamento para veículos leves e caminhões, área de circulação viária e áreas de estocagem em pilhas de granéis em uma retroárea de 190.000m². Segundo dados da Prumo logística, em termos de maquinário e estrutura, o T- MULT conta com 2 empilhadeiras de pátio para granéis, 10 caçambas articuladas, 2 guindastes móveis (MHC), 6 grabs para movimentar granel sólido e mais de 6 spreader bars, entre outros equipamentos. (PRUMO LOGISTICA, 2019) 33 Suas características de atracação são: 350 metros de comprimento útil atual; 14,5 metros de profundidade, com capacidade de expansão para 18m; 500 metros de comprimento operacional do cais; 600 metros de bacia de evolução; 3,6 milhões de toneladas de granel sólido e 0,4 milhões de toneladas de cargas de projeto, em termos de capacidade de carga; 13,1 metros de calado homologado. A atual localização do T-MULT dentro do terminal pode ser conferida na Figura 3.4. Figura 3.4: Localizaçãodo T-MULT no Porto do Açu (adaptado de GoogleEarth) 34 Baseado nesta imagem, está destacado um espaço de 1215 x 300 metros entre o fim do terminal atual e a NFX, que será usado para expansão do terminal, onde será considerada uma ampliação do cais para movimentação de containers. 3.2 – EXPANSÃO Tendo em vista o plano de expansão do terminal para o novo fim já explicitado, este trabalho propõe dimensionar o pavimento flexível que será utilizado para implementação do projeto básico de movimentação de containers no T-MULT. A Figura 3.5 apresenta a estrutura padrão das vias e indica a área de operação do scanner móvel para conferência de containers que serão movimentados. Esta área será estruturada em pavimento de concreto, entretanto, as vias de acesso e transporte serão dimensionadas em pavimento flexível (objeto de estudo deste trabalho). Figura 3.5: Área ideal para operação de scanner – TERMINAL DE MULTIPLO USO (PORTO DO AÇU OPERAÇÕES S.A, 2015) 35 4 – PROJETO DE PAVIMENTAÇÃO Os materiais para dimensionamento do pavimento em questão foram definidos utilizando-se documentos e materiais de cálculo referentes à dimensionamentos de terminais adjacentes já construídos e fornecidos pela Prumo Logística para informação. Em geral, todas as escolhas se justificaram devido ao fator econômico, uma vez que a construção da infraestrutura do terminal demandará um alto custo. 4.1 - CARACTERIZAÇÃO DO SUBLEITO A capacidade de suporte do subleito da área do scanner foi inferida a partir da campanha de sondagens próxima à área. Para a análise prévia da capacidade limite de suporte do subleito e dos materiais granulares constitutivos do pavimento, foi feita a correlação de Heukelom e Klomp, baseada em experimentos de campo de solo temperado, utilizada no modelo da AASHTO (1993) (PRUMO LOGÍSTICA, 2015). Esta correlação considera os resultados oriundos dos carregamentos aplicados no trecho através do ensaio de resistência à penetração, realizado junto às sondagens realizadas na região. De acordo com os números Nspt alcançados na cota do futuro pavimento e o tipo de solo, é calculado o módulo de elasticidade. Em seguida, o CBR foi inferido a partir do módulo de elasticidade de cada sondagem: 𝑁𝑠𝑝𝑡 = 𝐶𝐵𝑅(%) 𝐸 = 100 . 𝐶𝐵𝑅 onde: E = módulo de elasticidade do solo, em kgf/cm³ (1 MPa ≈ 10 kgf/cm²); CBR = Índice de capacidade de suporte do solo, em %. Assim, os módulos de elasticidade e os índices de suporte obtidos a partir dos resultados de ensaios das amostras coletadas nas sondagens realizadas na região estão apresentados na Tabela 4.1. 36 Tabela 4.1: Módulos de elasticidade e índices de suporte das amostras do local Sondagem E (Mpa) CBR (%) SEL-SPT-010 36 3,60 SEL-SPT-011 20 2,00 SEL-SPT-016 22,5 2,25 SEL-SPT-017 39 3,90 SEL-SPT-018 20 2,00 Fonte: PRUMO LOGÍSTICA, 2019. Apesar de por fatores de segurança, usualmente se utilizar o menor valor encontrado de CBR, para evitar subdimensionamento, foi indicado pela empresa, que se seguisse o manual (BALBO, 2007) e fosse feita a execução da média dos valores encontrados. Sendo assim, Calculando-se a média dos índices: 𝐶𝐵𝑅𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 𝐶𝐵𝑅 𝑛 𝐶𝐵𝑅𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 3,60 + 2,00 + 2,25 + 3,90 + 2,00 5 = 2,75% Para o valor encontrado de 2,75% para o CBR do subleito, será necessária a utilização de camada de reforço. 4.2 - NÚMERO DE SOLICITAÇÕES DO EIXO PADRÃO (N) Para o dimensionamento do pavimento flexível, utilizou-se o Método de Dimensionamento do DNER, também conhecido como Método do Eng.º Murillo Lopes de Souza. Como explicado anteriormente, este método considera uma composição das diversas cargas que passam nas vias, dimensionando-se o pavimento em função do número equivalente de operações do eixo padrão (N), carregamento de 8,2 tf, durante o período de projeto estabelecido e o valor do ensaio CBR do subleito. Foram utilizadas as mesmas formulações adotadas por Turnbull (BALBO, 2007). 37 De acordo com a empresa e documentos referentes a outro terminais do porto, será adotado um número de solicitações do eixo padrão (N) usualmente empregado em projetos de pátio de estocagem, que é 1x10 7 . (PRUMO LOGÍSTICA, 2019). 4.3 – DIMENSIONAMENTO A partir da equação a seguir (BALBO, 2007), foram calculadas as espessuras equivalentes das camadas do pavimento. 𝐻𝑒𝑞 = 77,67 .𝑁 0,0482 . 𝐶𝐵𝑅−0,598 A equação da espessura equivalente foi elaborada em função do ábaco do DNER (Página 25) empregado no dimensionamento de pavimento flexível. Para N = 1,0 x 10 7 , considerando os seguintes CBRs, temos: CBR = 2,75% (sub-leito): 𝐻2,75 = 77,67 . 10 7 0,0482 . 2,75 −0,598 = 92,24 cm CBR = 20% (sub-base): 𝐻20 = 77,67 . (10 7)0,0482 . (20)−0,598 = 28,16 cm A respeito do reforço do subleito, os materiais próprios são os de CBR superior ao apresentado pelo subleito e com expansão inferior a 2%, medida com sobrecarga de 4,5 kg. Segundo Departamento de Estradas e Rodagem (SP – M 196), os solos a serem aceitos devem pertencer aos grupos de solos LA, LA’, LG’, NA’ ou NG’, da classificação da metodologia MCT ou aos grupos especificados no projeto de pavimento, onde: 38 LA: areia laterítica quartzosa; LA’: solo arenoso laterítico; LG’: solo argiloso laterítico; NA’: misturas de areias quartzosas com finos de comportamento não laterítico (solos arenosos); NG’: solo argiloso não laterítico. Geralmente, se utiliza solo de maior qualidade, com CBR mínimo de 7%, para que a espessura da camada de reforço seja a menor possível para atender às especificações. Para o projeto, foi utilizado solo estabilizado granulometricamente com CBR de 7% para o reforço do sub-leito. CBR = 7% (reforço do sub-leito): 𝐻07 = 77,76 . (10 7)0,0482 . (7)−0,598 = 52,76 cm 4.4 - VERIFICAÇÃO DAS CAMADAS A verificação das espessuras das camadas constituintes do pavimento é determinada em função do número equivalente de operação, do valor do CBR do material da camada subjacente e do coeficiente de equivalência estrutural (K) do material constituinte da respectiva camada, conforme Figura 4.1. Figura 4.1: Ilustração do método Engº Murillo Lopes (BALBO, 2007). 39 R x Kr + B x Kb ≥ H20 R x Kr + B x Kb + h20 x Ks ≥ Hn R x Kr + B x Kb + h20 x Ks + hn x Kn ≥ Hm onde: R = espessura do Revestimento; B= espessura da Base Granular; h20= espessura da Sub-Base; hn = espessura do Reforço do Subleito. Apesar do método de dimensionamento de pavimentos flexíveis do DNER (SOUZA, 1981) apresentar a tabela de coeficientes estruturais, neste trabalho foram adotados os coeficientes estruturais do Manual de Pavimentação do DNIT (2006), apresentados na Tabela 4.2. Tabela 4.2: Coeficientes de equivalência estrutural (k). COMPONENTES DO PAVIMENTO Coeficiente K Base ou revestimento de concreto asfáltico 2,00 Base ou revestimento pré-misturado a quente, de graduação densa 1,7 Base ou revestimento pré-misturado a frio, de graduação densa 1,4 Base ou revestimento betuminoso por penetração 1,2 Camadas Granulares 1,00 Sub-base granular 0,77 (1,00) Reforço do subleito 0,71 (1,00) Solo-cimento com resistência a compressão a 7 dias superior a 45 kg/cm2 1,7 Solo-cimento com resistência a compressão a 7 dias entre 45 e 28 kg/cm2 . 1,4 Solo-cimento com resistência a compressão a 7 dias entre 28 e 21 kg/cm2 . 1,2 Bases de solo-cal 1,00 Fonte: DNIT, 2006. 40 O método do DNER apresenta tabela de espessura mínima de revestimento De acordo com a Tabela 4.3, para N= 1 x 10 7 , obtém-se a espessura mínima de 7,5 cm para CBUQ. Tabela 4.3: Espessuras mínimas de revestimentos N Tipo de Revestimento Espessuras (mm) ≤10 6 Tratamentos superficiais 15 a 30 10 6 < N≤ 5x10 6 CA, PMQ, PMF 50 5x10 6 < N ≤ 10 7 Concreto Asfáltico 75 10 7 < N ≤ 5x10 7 Concreto Asfáltico 100 N > 5x10 7 Concreto Asfáltico 125 Fonte: DNIT, 2006. Equação I: R1 = 7,5 cm (Revestimento de Concreto asfáltico – CA); KR1 = 2,00 (Revestimento); B = Base de Brita Graduada; (escolhida em função da sua fácil obtenção, bom intertravamento devido à sua graduação, extenso uso em pavimentação desde a década de 60 e, principalmente, baixo custo). KB = 1,00 (Base de Brita Graduada); H20 = 28,2 cm. R1 . KR1 + B . KB ≥ H20 7,5 x 2,00 + B x 1,00 ≥ H20 = 28,16 cm B ≥ 13,16 cm 41 Como há restrição de espessura mínima para camadas granulares, será adotado B = 15 cm. Equação II: SB = Sub-base de Solo Estabilizado Granulometricamente; KS = 0,77 (Sub-base de Solo Estabilizado Granulometricamente); H07 = 52,76 cm. R1 . KR1 + B . KB + SB . KS ≥ H07 7,5 x 2,00 + 15 x 1,00 + SB x 0,77 ≥ H07 = 52,76 cm SB ≥ 29,56 cm Portanto, SB = 30 cm. Equação III: RSL = Reforço do Subleito; KSRL = 0,71 (Sub-base de Solo Estabilizado Granulometricamente); H2,75 = 92,24 cm. R1 . KR1 + B . KB + SB . KSB + RSL . KRSL ≥ H04 7,5 x 2,00 + 15 x 1,00 + 30 x 0,77 + RSL x 0,71 ≥ 92,24 RSL ≥ 55,12 cm Portanto, RSL = 55 cm. 4.6 – ESQUEMA ESTRUTURAL DAS CAMADAS DO PAVIMENTO A Figura 4.2 apresenta o esquema da estrutura de camadas do pavimento. 42 Figura 4.2: Estrutura das camadas do pavimento. 43 5 – CONSIDERAÇÕES FINAIS E SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS Este trabalho teve como objetivo apresentar o dimensionamento do pavimento de um terminal de um porto, empregando pavimento flexível. Esse tipo de pavimento é amplamente empregado em pavimentação de rodovias por conta da maior facilidade de construção, se comparado com outras alternativas, pois é a tecnologia mais avançada em termos de disponibilidade de máquinas e equipamentos para execução. É importante ressaltar também, a necessidade de se realizar todo planejamento e todas as etapas do projeto de forma eficiente e garantir a manutenção preventiva com certa frequência para evitar que haja problemas prematuros nas vias. Além disso, o controle da execução das camadas e das especificações dos materiais é a melhor forma de garantir que o pavimento tenha o melhor desempenho possível ao longo de toda sua vida útil considerada. É valido mencionar, que apesar do pavimento flexível ter resultados econômicos, em geral, mais satisfatórios, a pavimentação rígida ou mista tem mostrado grande evolução ao longo dos anos e pode ser uma saída mais viável e durável em determinados empreendimentos, como terminais de portos. Vale lembrar que devem ser levadas em consideração a durabilidade (vida útil) e a carga de projeto do pavimento a ser dimensionado. Por esses motivos, novos terminais podem necessitar de uma maior resistência para atingir um melhor desempenho, que muitas vezes não são atingidas por pavimentos flexíveis, sendo recomendado a construção de pavimento rígido. Sendo assim, como sugestão para trabalhos futuros recomenda-se fazer projetos de pavimentos rígidos para terminais de portos e uma comparação com outros tipos de pavimentos, incluindo pavimento flexível. 44 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BALBO, J. T. Pavimentação Asfáltica: materiais, projetos e restauração. São Paulo, SP: Ed. Oficina de Textos, 2007. CAPUTO, Mecanica dos solos e suas aplicações. Rio de Janeiro, RJ: Ed. LTC, 1983. AASHTO T19-09. Standard Method of Test for Bulk Density ("Unit Weight") and Voids in Aggregate. American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO T 19M, Washington, D.C., 2002. ALDERTON, P. M. Port Management and Operations. 1 ed. University of Michigan, United States of America, 1999. CUNHA, M. B. 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Instalações Onshore – Terminal de Múltiplo Uso TMULT – Memória de Cálculo, 2018. PRUMO LOGÍSTICA. Porto do Açu, 2019. 45 PRUMO LOGÍSTICA.Terminal de Multiplo Uso - Porto do Açu Operações S.A, 2015. RESTUM, G. P. Análise de operações de abastecimento de carga geral para unidades de produção offshore, 2016. SENÇO, W. Manual de Técnicas de Pavimentação: volume 1. São Paulo, SP: Editora Pini, 2007. SILVINO, V. R. G. Avaliação do Transporte de Contêiner no Brasil e o Potencial do Porto do Açu para Operar com Movimentação de Contêiner na Ótica de Hub Port. Projeto de Graduação. Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2017. SOUZA, M. L. Projeto de Pavimento Flexível. Departamento Nacional de Estradas de Rodagem. Publicação 772, Rio de Janeiro, RJ, 1981. SPTSONDAGENS. Dimensionamento de pavimentos. Disponível em: http://www.sptsondagens.com.br/servicos?servico=dimensionamento. Acesso em 04/11/2019.
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