Avaliação estrutural do pavimento

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NOTAS DE AULA GRUPO 1
1. MECÂNICA DOS PAVIMENTOS
1.1 Interações Estruturais das Cargas do Tráfego com os materiais das camadas de pavimentos
	O tópico número 1 traz o conceito de como as camadas dos pavimentos responderão aos efeitos externos que recebe por todas as rodas dos veículos o qualquer outra carga estática.
	À grosso modo pode-se dizer que as solicitações que ocorrem são pressões, tensões verticais (Compressão), flexão (dobramento), confinamento (Compressão horizontal) e cisalhamento como resultado das pressões verticais. Sendo assim a distribuição de esforços através do mesmo deve ser de maneira que as pressões que agem na interface entre as camadas (Figura 1) sejam compatíveis com a resistência da mesma. As camadas superiores são submetidas a maiores pressões exigindo na sua construção materiais de melhor qualidade, para uma mesma carga aplicada, a espessura do pavimento irá variar quanto pior ou melhor forem as condições do material do subleito.
Figura 1 – As camadas do pavimento
Fonte: Balbo, 2007. 
1.1.1 Flexão – Dobramento das Camadas
	As cargas de rodas de veículos aplicadas sobre a superfície do pavimento e distribuídas entre as camadas subjacentes causam na maioria dos materiais empregados uma tendência ao dobramento de camadas asfálticas. Deformação perpendicular ao eixo das camadas. A compressão vertical aplicada pelas cargas causa o afastamento entre as partículas do material, ocasionando tração/compressão nas zonas de contato entre os agregados, conforme demonstra a Figura 2. Tais esforços vão ocasionando deformações plásticas e microfissuras nessas zonas e leva o material a um estado de fissura.
Figura 2 – Ações dos esforços de tração
Fonte: Balbo, 2007. 
1.1.2 Confinamento Horizontal – Contenção Lateral
	Uma camada de material limitada em sua face inferior ou superior por material de rigidez maior se encontra em condição travada, como mostra a Figura 3. Toda massa lateral de material granular e não aderido reage a tentativa de deslocamento da camada criando barreiras de contenção causando um aumento fictício a sua rigidez
						Figura 3 – Ação do confinamento
Fonte: Balbo, 2007. 
1.1.3 Compressão vertical e cisalhamento das camadas
	Para compreender o tópico, primeiro temos que ter em mente de que forma ocorre a distribuição pressões nas camadas. As pressões aplicadas são dissipadas por meio das rodas pneumáticas e diminuem sua magnitude nas camadas mais inferiores. Apesar de imaginarmos uma linha imaginária entre as camadas, essa distribuição não é uniforme, já que a própria área de contato pneu-pavimento não exerce essa pressão uniforme. A distribuição da pressão possui uma distribuição aproximadamente parabólica, com pressão máxima exercida no centro da área carregada. 
	Os esforços de compressão são reduzidos por ação de dois outros principais mecanismos, de flexão e confinamento. Essa redução se da por meio de linhas curvas de atuação dos esforços. A compressão vertical, mobiliza os esforços de cisalhamento, porém a medida que um material vem apresentar rigidez muito elevada, as reações de flexão passam a se tornar mais importantes para mobilizar os esforços resistentes. Nos materiais de Pavimentação, o material transfere deformações ao ponto vizinho por meio dos esforços cisalhantes, ocasionando deformações plásticas na superfície do pavimento e causando a formação de trilhas de roda nas zonas superficiais
2.2 MEDIDA DE RESISTÊNCIA DE MATERIAIS DE PAVIMENTAÇÃO
	A resistência de um material diz respeito à medida do valor da força ou pressão que causa sua ruptura. Embora existam normas relacionadas a fixação de resistência para misturas cimentadas com base em ensaios de compressão simples, não há relação óbvia entre essas resistências teóricas e as resistências da estrutura composta por uma série de camadas trabalhando em flexão. A Figura 4 a seguir apresenta os ensaios existentes e suas aplicações.
Figura 4 – Ensaios para medição de resistência dos materiais que compõem o pavimento
Fonte: Balbo, 2007. 
1.2.1 Índice de suporte califórnia (CBR)
	Em 1929 o ensaio do Índice de Suporte Califórnia, mais conhecido como ensaio de CBR (California Bearing Ratio), foi desenvolvido pelos engenheiros Porter e Proctor, e posteriormente aprimorado pelo United States Corps of Engineers (USACE), com o objetivo de integrar no dimensionamento de pavimentos rodoviários, determinando a capacidade de suporte de um solo compactado. 
A	tualmente regido pela ABNT: NBR 9895/87 o ensaio de CBR é dividido em três partes, sendo elas as seguintes:
	Compactação do corpo de prova: é realizada a compactação com energia padrão (Proctor), atentando-se ao número correto de golpes e camadas, correspondentes à energia desejada, normal ou modificada. É comum moldar no mínimo 5 corpos de prova, variando o teor de umidade para que seja possível caracterizar a curva do CBR.
	Expansão: após a moldagem dos corpos de prova, é hora de obter os valores de expansão. Para isso, o conjunto já preparado para o ensaio, é imergido em água por no mínimo 4 dias, devendo ser realizado leituras no extensômetro a cada  24 horas.
	Resistência à penetração: é retirado o corpo de prova, após o período de imersão, e deixado a ser drenado naturalmente por 15 minutos. Logo em seguida, leva-se o corpo de prova para a prensa (Figura 5), onde será rompido através da penetração de um pistão cilíndrico, com uma velocidade de 1,27 mm/min. Utilizando um anel dinamômetro na prensa, registra-se os valores necessários para o cálculo das pressões de cada penetração. 
Figura 5 – Equipamento usado no ensaio CBR
Fonte: Balbo, 2007. 
1.2.2 Ensaio de compressão diametral
6.2.2 Ensaio de compressão diametral
	O ensaio de compressão diametral ou Brazilian Test, constitui um arranjo simples que permite impor um plano de ruptura idêntico ao plano de aplicação da carga, conforme representado na Figura 6. Trata-se de um ensaio bastante empregado na atualidade para a medida da resistência à tração indireta de amostras de concretos asfáltico. Toma-se x e y como coordenadas a partir do centro do corpo de prova, e observa-se suas deformações horizontais o que dará o deslocamento horizontal total que o corpo de prova sofrerá durante os testes. 
	As tensões verticais e horizontais no corpo de prova são dadas pelas Equações 1 e 2: 
				 [1]
e
							 [2]
Figura 6 – Esquema de ensaio de compressão diametral
Fonte – DNIT 136/2018, 2018.
	No caso de levar-se o corpo de prova até a ruptura, a tensão de tração horizontal que rompe o material, nas proximidades de seu centro (x=0), será dada pela Equação 3: 
					[3]
	Em que F é a força aplicada; d, o diâmetro do corpo de prova e h, sua altura.
1.2.3 Ensaio de tração na flexão
	O mais importante ensaio para materiais de pavimentação tratados com cimento (BGTC, SC) ou com concretos para pavimentação (CCP, CCR). Permitindo um esforço semelhante ao qual a camada está sujeita a campo. É regido pela NBR 12142. O ensaio é realizado em vigotas, onde a carga aplicada é situada em dois pontos e distribuída uniformemente ao longo do corpo de prova.
	Quando se estabelece o arranjo de dois cutelos, o momento fletor na vigota é constante (Figura 7), garantindo que a seção de ruptura seja aquela mais fraca (em um material heterogêneo) e o momento máximo é proporcional a um sexto da carga total. Se a carga fosse aplicada somente no vão central, o momento de ruptura seria proporcional a um sexto da carga total aplicada. Para vigas engastadas o momento máximo seria unitariamente proporcional a carga aplicada. 
Figura 7 – Esquema para ensaio de tração na flexão
Fonte: Balbo, 2007. 
O cálculo da tensão de tração no momento de ruptura: 
 [4]
Sendo:
M = momento fletor máximo
I = Momento de Inércia para uma seção transversal da vigota de altura h e base b
z= distância entre a linha neutra e a fibra inferior 
	A Tabela 1 apresents valores típicos de resistência à tração na flexão para materiais empregados na pavimentação:
Tabela 1 – Valores típicose resistência
Fonte: Balbo, 2007. 
1.2.4 Ensaio de cisalhamento em interfaces aderidas
	Para realizar a medição da aderência entre superfícies diferentes, em especial CAUQ com concretos e CCP e CCR ou BGTC, o LMP-EPUSP concebeu um ensaio de simples execução que mede a resistência ao cisalhamento direto entre camadas de materiais diferentes. O ensaio consiste na aplicação de uma força vertical a um material que se encontra ligado a outro em ambos os lados, o material do centro se mantém sem contato com a base do equipamento, conforme Figura 8.
Figura 8 – Esquema de ensaio de cisalhamento em interfaces aderidas
Fonte: Balbo, 2007. 
1.3 CONCEITUAÇÃO DE MÓDULO DE RESILIÊNCIA E SUA DETERMINAÇÃO
	O módulo de resiliência e o módulo de elasticidade são as constantes elásticas mais estudadas e empregadas habitualmente para formalização de análise de sistemas das camadas. Assim como o coeficiente de Poisson. Em regime de trabalho e resposta elástica, o módulo resiliente dos materiais é determinado de duas maneiras: em laboratório ou em campo (retroanálise de módulo resiliente). Em laboratório o valor do módulo resiliente é determinado pela relação entre tensão aplicada e deformação sofrida.
	Os materiais não obrigatoriamente apresentam um valor de módulo de elasticidade constante independente do nível de tensão e raramente tem um comportamento elástico.
Figura 9 – Comportamento elástico e anelástico dos materias
Fonte: Balbo, 2007. 
	Há materiais, em especial as misturas asfálticas, que, herdando a viscoelasticidade apresentada pelos asfaltos, apresentam níveis de deformação dependentes de tempo e ação de cargas. Nesses casos, quanto mais rápido a aplicação das cargas, menor a deformação medida e maior o modulo resiliente aferido para o material. Para materiais que não apresentam módulo resiliente constante ou linear em sua fase elástica, é necessária a definição de modelos constitutivos de comportamento que possam prever as variações do módulo de resiliência em função dos níveis de tensões que ocorrem na estrutura. Ex. Britas Granulares e solos saprolíticos.
1.3.1 Ensaios triaxiais dinâmicos (confinamento)
	Modelo Constitutivo para o módulo resiliente dos materiais de natureza granular é dado pela Equação 5:
		 [5]
	Quanto maior for a tensão de confinamento em ação, maior será o modulo resiliente do material. As expressões abaixo são empregadas para o tratamento de dados de ensaios triaxiais dinâmicos (ou de cargas) repetidas realizadas em laboratórios com diversos materiais, como solos, granulares, misturas solo-agregados e solos estabilizados com cimento, para determinação de k1,k2,k3 e k4. Em uma base Vertical de altura h no corpo de prova, é medido o deslocamento sofrido a cada aplicação de carga. O módulo de resiliência é determinado para cada ciclo de aplicação por nível de tensão desvio aplicada. 
1.3.2 Ensaio de compressão diametral
	Outro tipo de ensaio comumente empregado na determinação do módulo resiliente de mistruras asfálticas e cimentadas é o chamado ensaio de compressão diametral ou ensaio de tração indireta. 
	Coloca-se uma tira rígida de topo e outra de fundo que garantem a distribuição, ao longo da altura da amostra, de uma força aplicada na direção diametral da amostra. É realizado o registro do deslocamento horizontal sofrido pela amostra em suas extremidades, a cada aplicação de carga, possibilitando a determinação do módulo resiliente do material. Pode-se resumir para o estado plano a deformação em x como a Lei de Hooke generalizada:
								[6]			
Ao substituir as equações de tensões, tem-se: 
			[7]
	O deslocamento total na horizontal (δ) é obtido pela integração ao longo do diâmetro na horizontal das deformações sofridas. Portanto:
							[8]
	Como E é o módulo de elasticidade ou de resiliência, uma vez medido o valor de δ durante ciclos repetitivos de carregamentos, ter-se-á, experimentalmente pela Equação 9:
							[9]
1.3.3 Ensaio de tração na flexão
	O cálculo do modulo resiliente obtido pelo ensaio de tração na flexão é dado pela equação: 
			 [10]
	Onde F é a força aplicada, l é o vão da viga, f a flecha correspondente e I o momento de inércia da seção
1.3.4 Determinação do coeficiente de Poisson
	O coeficiente de Poisson, mede a deformação transversal (em relação à direção longitudinal de aplicação da carga) de um material. É dado pelo inverso da relação entre deformação vertical imposta ao material pela deformação horizontal sofrida no corpo de prova. É obtido a partir de ensaio de compressão uniaxial, vale ressaltar que segundo a norma DNIT 135/2018, no brasil, para cálculo de modulo de resiliência adota-se o coeficiente de Poisson sendo de 0,3.]
2. AVALIAÇÃO ESTRUTURAL DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
2.1 NECESSIDADE E OBJETIVOS DA AVALIAÇÃO ESTRUTURAL
	A avaliação estrutural contempla a caracterização completa de elementos e variáveis estruturais dos pavimentos, de uma forma que possibilite a descrição do comportamento em relação as cargas do tráfego e definir sobre a capacidade do pavimento. Caracterizar a estrutura do pavimento implica em determinar os materiais e também as espessuras de cada elemento estrutural, incluindo solo de subleito e integridade das camadas, por meio de parâmetros estruturais e também medidas de deformações. Uma avaliação estrutural permite também conclusões sobre a camadas abaixo do revestimento, que muitas vezes não é possível realizar com avaliação visual superficial. 
2.2 AVALIAÇÕES ESTRUTURAIS DESTRUTIVAS
	A avaliação estrutural destrutiva é aquela que tem como finalidade uma completa caracterização física da estrutura do pavimento. Em uma avaliação destrutiva é possível determinar espessura das camadas do pavimento, seus materiais componentes e consequentemente seu estado e degradação
	A avaliação destrutiva pode ser realizada por processos manuais ou mecânicos através da abertura de uma cava com pá e picareta, ou abertura de furos com concha helicoidal, trado ou concha. A Figura 10 demonstra esses métodos: 
Figura 10 – Prospecções destrutivas
Fonte Dynatest, 2004.
2.3 PROSPECÇÃO NÃO DESTRUTIVA DE PAVIMENTOS
	A avaliação não destrutiva é aquela que ocorre por meio de equipamentos de alta tecnologia para identificação de espessuras e tipos de materiais nos pavimentos. Os equipamentos utilizados para a inspeção são denominados de “Ground Penetrating Radar”, e é composto por uma antena emissora de ondas e outra receptora. O equipamento realiza as medições por meio da detecção de alterações nos padrões de reflexão das ondas no solo, determinando assim as espessuras das camadas. A Figura 11 ilustra o equipamento.
 Figura 11 – Prospecção não destrutiva
Fonte – Fabricante TECH27 disponível em <https://www.tech27.com/services/GPRS-Ground-Penetrating-Radar-Surveys.html >
2.4 MEDIDAS DE DEFLEXÕES
	Para realizar uma avaliação estrutural ampla do pavimento além de conhecer suas espessuras de camadas e materiais componentes também é necessário avaliar a capacidade estrutural do pavimento, que pode ser definida como seu modo de comportamento em face as cargas de trafego, ou seja, qual são os deslocamentos verticais sofridos na superfície do pavimento quando este está sujeito as cargas de tráfego.
2.4.1 Deflexões estáticas com viga de Belkelman
	A Viga Benkelman é composta por um conjunto de sustentação em que se articula uma alavanca interfixa (Figura 12), cujo sistema de funcionamento é simplesmente aquele de um braço de alavanca. Idealizado pelo engenheiro A.C. Benkelman, foi utizada pela primeira vez nas pistas experimentais do WASHO em 1953. A Viga Benkelman, dentre os vários instrumentos disponíveis para medições defletométricas em pavimentos, foi o aparelho que mais se difundiu em todo o mundo e até hoje tem um importante papel no meio rodoviário nacional. 
 Figura 12 – Esquema de Benkelman
 Fonte: NORMA DNIT 113/2010, 2010.
2.4.2 Deflexões por impacto com falling weight deflectometer
	O Falling Weight Deflectometer (FWD) é um equipamento que tem como finalidadeconhecer a bacia de deflexões de pavimentos rígidos e flexíveis, simulando o impacto de uma roda em movimento utilizando aplicação dinâmica nas cargas.Uma carga dinâmica, aplicada instantaneamente por impacto (pulso de carga) sobre uma placa de dimensões conhecida, procurar simular a aplicação de carga de um par de rodas de caminhão.
	O equipamento é construído sobre um sistema de reboque (trailer). A deflexão recuperável que é formada na superfície do pavimento é obtido devido a 7 geofones (transdutores de velocidade). As distâncias dos geofones ao centro da placa de carga são fixadas procurando-se posicioná-los de forma que os deslocamentos registrados reflitam o comportamento e deformabilidade das diversas camadas do pavimento e represente a geometria completa da bacia de deflexão.
 Figura 13 – Falling weight deflectometer
Fonte: Fabricante Dynatest, disponível em <https://www.dynatest.com/falling-weight-deflectometer-fwd>
No processo de análise, as ondas resultantes dos deslocamentos da superfície nos vários pontos são captadas e suas acelerações integradas para definição de distância percorrida, o que fornece a deflexão em cada geofone. As medidas de deflexões com FWD são diferentes (menores) daquelas medidas com viga de Benkelman, tendo o seguinte valor relacional conforme Equação 11.
												
									[11]
	As normas de projeto vigentes tem como referência os padrões de deflexão Benkelman. Deflexões devem ser determinadas de maneira a permitir um adequado delineamento da bacia de deflexões. Embora seja comumente empregados as posições de 200mm,300mm,450mm,650mm, 900mm e 1200mm.
2.4.3 PARÂMETROS DA BACIA DE DEFLEXÕES
	Os valores máximos de deflexão em bacias nos dão a ideia de como é a resposta do pavimento em termos de sua deformação sob a ação de cargas. 
 Figura 14 – Bacias de deflexão
 Fonte: Balbo, 2007
	A primeira bacia conforme Figura 14 denota uma boa distribuição de esforços sobre as camadas inferiores, enquanto que a segunda apresenta um ponto de inflexão brusco pouco depois do afastamento da carga do ponto de prova. A segunda bacia revelaria um raio de curvatura muito menor que o caso da primeira.
2.5 ESTIMATIVA DO NÚMERO ESTRUTURAL DO PAVIMENTO
2.5.1 CÁLCULO DIRETO
	De acordo com o DNER (1985) o número estrutural é calculado pela Equação 12:
							[12]
	Sendo ai e hi, os coeficientes estruturais e as espessuras das camadas em polegadas conforme apresentados na Tabela 2 para o calculo de espessura em cm.
 Tabela 2 – Determinação de ai
 Fonte: Balbo, 2004
2.5.2 DETERMINAÇÃO DO NÚMERO ESTRUTURAL COM BASE NAS DEFLEXÕES
	O número estrutural ajustado pode ser definido com base na deflexão máxima (em 0,01mm) com carga de ESRD de 80kn e pressão nos pneus de 0,52 Mpa e temperatura de 30°c. Danilo Martinelli Pitta (1998) apresentou equações com base nas medidas com FWD com aplicação de carga de 40kn, tendo seus valores de SN inferiores devido a menor carga aplicada.
	Pelas curvas da Figura 15, cerca de SN=6 seria um limite superior para pavimentos asfálticos flexíveis, mais robustos e sem degradação estrutural das camadas, o que pode cair drasticamente para valores pouco acima de SN=1 para pavimentos esbeltos ou com camadas deterioradas. Pelo modelo de Paterson, pavimentos semirrígidos apresentam número estrutural entre 4 e 9. Pavimentos asfálticos comuns com SN=10 não seriam reais
 Figura 15 – Funções para o número estrutural
 Fonte: Balbo, 2004
2.6 Determinação de parâmetros em segmentos homogêneos de pavimentos
	Um seguimento homogêneo pode ser definido como um trecho de pavimento que apresenta, dentro de seus limites, similaridade em termos funcionais, estruturais e de tráfego.
	O estabelecimento de valores representativos para os parâmetros de projeto de cada segmento homogêneo poderá ser realizado com auxílio de estatísticas correntemente utilizadas no controle tecnológico de serviços de pavimentação. Como exemplo, o valor numérico de um parâmetro característico qualquer poderá ser obtido pela expressão: 
fórmula							 [13]		
Na qual: 
Xc= parâmetro característico (CBR do subleito, espessura de uma camada etc.)
Xm= média da amostra
s = desvio-padrão da amostra
n = número de elementos da amostra
2.7 Serventia
	A serventia do pavimento é a capacidade funcional de um trecho específico de pavimento de proporcionar, na opinião do usuário, qualidade de rolamento (suave e confortável) em qualquer condição de tráfego no período do ciclo de vida.
	Em geral esta avaliação tem sido feita de forma subjetiva por cinco avaliadores distintos. A quantificação é realizada apenas pela percepção empírica do movimento do veículo no qual cada avaliador treinado trafega. A qualidade do rolamento, portanto se caracteriza pela suavidade e conforto no rolamento do veículo sobre o pavimento, atribuindo notas de 0 a 5.
	Os resultados para cada trecho de pavimento avaliado devem ser relacionados separadamente e são obtidos por meio da média aritmética das notas de cada avaliador. 
2.8 Determinação de deformações nas camadas
	Uma técnica bastante sofisticada de avaliação estrutural é a instrumentação de camadas dos pavimentos para a determinação de deformações, pressões e deflexões nos materiais como resultado da aplicação dos esforços externos. A propriedade fundamental da matéria a ser medida é normalmente a deformação que possibilita a determinação de outros parâmetros. Utiliza-se strain gages (medidores de deformação) para tal tarefa, para medidas de pressão, são usadas as células de carga, e para medidas de deflexão, extensômetros. 
	O princípio geral dos instrumentos de medida de deformação é a determinação da variação de resistência que ocorre no material ao sofrer tração ou ao ser comprimido, e o instrumento em questão compõe um grupo de resistências dentro de uma “Ponte de Weatstone”. Medidas as diferenças de potencial entre as extremidades dessa ponte, conhecidas as propriedades elétricas das demais resistências, o equilíbrio do sistema para pequenos valores de corrente e potencial permite determinar a resistência do strain gage que sofre deformação. 
2.9 INSPEÇÃO VISUAL DOS PAVIMENTOS
	Pavimentos flexíveis são regidos pela norma DNIT 008/2003. E pavimentos rígidos pela Norma DNIT 060/2004. As normas de inspeções visuais dos pavimentos explicitam as maneiras de se gerar relatórios de danos dos pavimentos, e como calcular os índices de condições dos pavimentos e de gravidade global expedito (ICPF, IGGE)
REFERÊNCIAS
BALBO, J. T. Pavimentação Asfáltica: materiais, projetos e restauração. São Paulo: Oficina de Textos, 2007 
DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES. Manual de Pavimentos Rígidos. 2. ed. Rio de Janeiro, 2004 
DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES. Pavimentação asfáltica – Delineamento da linha de influência longitudinal da bacia de deformação por intermédio da Viga Benkelman – Método de ensaio . Rio de Janeiro, 2010 
Medina, J., Motta, L.M.G., Mecânica dos Pavimentos, 2ª Edição, ISBN 85-905987-3-3 (2005) 
SENÇO, W. de. Manual de Técnicas de Projetos Rodoviários. 1. ed. São Paulo: Pini, 2007.