Dimensionamento de Pavimentos Flexíveis

ESTRADAS Dimensionamento de Pavimentos Flexíveis BIBLIOGRAFIA BÁSICA MEDINA J Mecânica dos Pavimentos 1997 Editora Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro NOGAMI JS e VILLIBOR D F Pavimentação de Baixo Custo com Solos Lateríticos 1995 Editora Vilibor São Paulo SENÇO W Manual de Técnicas de Pavimentação 1997 Ed PINI São Paulo BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR Publicações disponíveis em httpwww1dnitgovbriprnew Glossário de Termos Rodoviários Manual de Pavimentação 1 Introdução 11 O pavimento O pavimento é uma estrutura construída após a terraplenagem ou sobre um leito existente de estrada destinada a resistir aos esforços horizontais e verticais produzidos pelo tráfego ponto de vista estrutural Do ponto de vista funcional o pavimento tem a tarefa de suportar o tráfego em condições de velocidade segurança conforto e economia Constituise de camadas de diversos materiais de forma a se tornar mais econômico no cumprimento dessas funções estrutural e funcional e como qualquer outra estrutura da engenharia civil trata de distribuir as cargas de forma compatível com a resistência de cada camada construída e do subleito existente no local Figura 1 Distribuição das tensões nas camadas do pavimento z profundidade Tensão Vertical P Revestimento Base Subbase Subleito O pavimento é na realidade construído para ser destruído pelo tráfego ao longo de 10 20 anos sua vida útil Por esse motivo a compreensão dos processos de deterioração e destruição do pavimento é de vital importância no seu dimensionamento O dimensionamento de um pavimento flexível consiste na determinação das espessuras das camadas de cada um dos materiais revestimento base subbase e reforço do subleito necessárias para proteger as camadas inferiores em termos de capacidade de carga de forma que essas espessuras sejam suficientes para resistir transmitir e distribuir os esforços oriundos do tráfego ao subleito sem sofrer deformações apreciáveis 12 O dimensionamento do pavimento O projeto do pavimento exige quatro categorias de informações das solicitações o tráfego da fundação o subleito da própria estrutura os materiais das intempéries o ambiente 121 As solicitações Uma carga por roda de um veículo que trafegue sobre o pavimento impõe uma solicitação que pode ser caracterizada por magnitude da carga por roda ou força aplicada N ou kgf pressão de contato do pneu com o pavimento Mpa Kpa ou kgfcm² área de contato cm² velocidade de aplicação ou tempo de duração Figura 1 Esquema das pressões aplicadas no pavimento temos p pressão aplicada na face inferior do pavimento p capacidade de suporte do subleito Enquanto tivermos p p podemos dizer que o conjunto permanece estável p p P Força pressão Revestimento Base Subbase Reforço do subleito Subleito 122 A fundação O pavimento é uma estrutura continuamente apoiada em sua fundação denominada genericamente subleito O subleito tem sua camada superior 15 cm compactada para melhorar sua capacidade de suporte o que chamamos melhoria do subleito A engenharia rodoviária tem procurado parâmetros para caracterizar a capacidade de suporte do subleito sendo que no caso de pavimentos rígidos adotouse uma provadecarga que parece ser um ensaio que bem expressa a capacidade da fundação visto ser um ensaio executado diretamente sobre a camada em estudo placa rígida de grande diâmetro carregada gradativamente No caso de pavimentos flexíveis temse adotado o ensaio CBR California Bearing Ratio proposto pelo engº O J Porter no estado da Califórnia em 1939 e desenvolvido pelo United Corps of Engineers U S Army O ensaio CBR ou Índice de Suporte Califórnia ISC foi concebido para avaliar a capacidade de suporte de materiais compactados em laboratório ou in situ No ensaio aplicase a força de um pistão fazendo o penetrar no corpodeprova ou no local ensaiado Medese a força necessária para penetrar 01 pol e 02 pol A pressão necessária para a penetração é comparada com uma pressão padrão préfixada à qual é atribuída o valor 100 Desse modo é calculado o valor CBR do ensaio em do valor de referência A larga utilização desse índice aliada às recomendações feitas por diversos organismos especializados criou parâmetros de avaliação expedita com base no CBR Para subleito de material compactado na energia do proctor normal por exemplo podese considerar valores de CBR entre 3 e 5 são muito fracos entre 6 e 9 são fracos entre 10 e 15 são medianos entre 16 e 25 são bons e acima de 25 excelentes Para subbase costumase adotar materiais com CBR maior que 20 e para bases normalmente materiais com CBR maior que 80 124 A estrutura O pavimento flexível é composto de camadas que de modo geral têm melhores características e são mais caras à medida que estão mais à superfície Vamos chamar capacidade estrutural um conjunto de características da camada do pavimento que seria um conjunto de atributos que tornam essa camada boa para desempenho dentro da estrutura Para caracterização da capacidade estrutural de cada camada foi criado o conceito de equivalência estrutural uma camada de material e espessura determinados é equivalente a outra camada de outro material e outra espessura se o desempenho do pavimento em cada uma das camadas for igual Foi adotado o material granular como referência e em função da vantagem ou desvantagem oferecida em termos de desempenho foi estabelecido o coeficiente de equivalência estrutural 125 O ambiente O pavimento como estrutura tem uma vida útil relativamente curta se comparado com outras estruturas da engenharia civil Por ser diretamente exposto às intempéries e ao tráfego o pavimento deteriorase pelos seus efeitos combinados umidade calor tensões deformações e esforços abrasivos do tráfego consomem sua vida útil 2 Os métodos de dimensionamento O efeito da carga do veículo a capacidade de suporte do subleito a estrutura e o ambiente são considerados de diversas formas nos métodos de dimensionamento existentes Cada método utiliza grandezas próprias para representar a carga ou pressão aplicada e a resistência da fundação capacidade de suporte Vamos apresentar o procedimento para a determinação da espessura do pavimento e de suas camadas constituintes baseado no método do DNER 21 Método do DNER Este método foi proposto pelo engenheiro Murillo L de Souza com base nos estudos havidos pelo US Corps of Enginners e da pista experimental da AASHO Utilizavase dos resultados dos ensaios do IG e do CBR dos materiais calculando então um denominado Índice de Suporte IS dos materiais Atualmente o método considera somente o valor do CBR ou ISC dos materiais O dimensionamento do pavimento será feito a partir da capacidade de suporte dos materiais que vão compor as camadas do pavimento e de um denominado Número de operações de um eixo padrão equivalente N do ponto de vista destrutivo do pavimento para o período de projeto adotado onde 7 caminhão leve 4 e 6 caminhão pesado 8 caminhão pesado reboque 1 e 3 caminhão médio 2 e 5 semireboque obs ônibus caminhão médio eixo simples eixo simples eixo simples eixo simples eixo simples eixo simples eixo simples eixo tandem triplo eixo tandem duplo eixo tandem duplo eixo tandem duplo eixo tandem duplo O tráfego para efeito de projeto é o tráfego comercial na faixa mais solicitada O tráfego comercial a considerar é constituído de caminhões médios pesados semirreboques e reboques além dos ônibus sendo desprezível o efeito das solicitações provenientes dos carros de passeio e caminhões leves ESRS 6t ESRD 10t 16t 211 O tráfego O tráfego para efeito de projeto é o tráfego comercial na faixa mais solicitada O tráfego comercial a considerar é constituído de caminhões médios pesados semireboques e reboques além dos ônibus sendo desprezível o efeito das solicitações provenientes dos carros de passeio e caminhões leves Na falta de dados precisos podem ser adotadas as seguintes porcentagens de tráfego na faixa mais solicitada em relação ao tráfego comercial nos dois sentidos Número de faixas de tráfego nos dois sentidos de veíc comerciais na faixa mais solicitada 2 4 6 ou mais 50 35 a 48 25 a 48 2111 Volume total do tráfego Sendo V0 o volume do tráfego diário inicial comercial na faixa mais solicitada o volume total VT durante o período de projeto P considerandose uma taxa de crescimento t ao ano será dado por VT 365 P V0 2 P t 2 se a taxa de crescimento for linear onde V0 2 P t 2 Vm volume médio ou VT 365 V0 1 tP 1 t se a taxa de crescimento for não linear Na falta de elementos sugerese t entre 3 a 5 ao ano 003 a 005 2112 Fator de eixo Denominase Fator de Eixo FE um coeficiente que multiplicado pelo volume total VT fornece o número de eixos que solicitam o pavimento durante o período de projeto Exemplo 90 dos veículos com 2 eixos e 10 dos veículos com 3 eixos FE 090 x 2 010 x 3 210 Na falta de elementos podemos adotar FE 207 2113 Fator de equivalência de operações Para viabilizar a determinação da espessura do pavimento para tráfego misto ou seja composto por cargas de diversas magnitudes é necessário o estabelecimento de uma carga de referência e um processo que faça equivalência entre pares de carga número de operações do ponto de vista destrutivo do pavimento Dizer que um par carganúmero de operações P1 N1 é equivalente a outro par carganúmero de operações P2 N2 significa que ambos os pares conduzem a uma mesma espessura de pavimento O fator que multiplicado por um número N1 de operações produz o outro número N2 equivalente é função dos valores das cargas P1 e P2 É geralmente chamado de Fator de Equivalência de Carga ou Fator de Equivalência de Operações FEO Para pavimentos rodoviários é estabelecida uma carga de referência que é a de um eixo simples de rodas duplas de 8200 kgf aprox 18000 lb Notese que esta carga de referência é diferente da carga máxima legal para o mesmo eixo que é de 10 ton Os FEOs entre eixos de diferentes cargas simples ou em tandem e o eixo padrão de 8200 kgf são fornecidos abaixo Eixo simples Eixo em tandem duplo Eixo em tandem triplo Carga por eixo ton FEO Carga por eixo ton FEO Carga por eixo ton FEO 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 010 030 050 100 200 350 600 1000 1500 2500 4000 6000 8000 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 010 020 040 050 070 130 200 270 400 600 700 1000 1500 9 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 020 030 060 090 150 250 560 610 990 1480 2080 4030 4680 Tabela 2 Fator de Equivalência de Operações Método do DNER Exemplo Posto de Pesagem Data SP Trecho Km Eixos simples ton de eixos FEO Equivalência ao eixo de 82 ton Menos de 4 5 7 9 11 13 15 72 7 3 7 5 4 1 010 050 200 600 1500 4000 07 15 140 300 600 400 Eixos tandem duplo ton 19 1 1500 150 100 x FC 16120 FC 16120 100 1612 2114 Fator de carga Fator de Carga FC é um coeficiente que multiplicado pelo número de eixos que solicitam o pavimento durante o período de projeto fornece o número equivalente de operações do eixo simples padrão Como já vimos a cada carga corresponde um fator de equivalência de cargas ou fator de equivalência de operações Para ser determinado o FC correspondente a cada tipo de veículo comercial pode ser organizado um quadro como o a seguir a partir dos resultados obtidos nas pesagens dos veículos Posto de Pesagem Data SP Trecho Km COLUNA 1 COLUNA 2 COLUNA 3 COLUNA 4 Eixos simples ton de eixos FEO Equivalência ao eixo de 82 ton Menos de 4 5 6 7 8 19 20 Eixos tandem duplo ton Menos de 6 7 8 2115 Fator de veículo Ao produto FE x FC denominase Fator de Veículo FV Podese definir fator de veículo como um coeficiente que multiplicado pelo volume total VT de tráfego comercial que solicita o pavimento durante o período de projeto fornece o número equivalente de operações do eixo padrão no mesmo período Se FVi é o fator de veículo correspondente a um determinado tipo de veículo comercial Pi é a porcentagem em que esse tipo de veículo ocorre relativamente ao volume total VT o fator de veículo FV do tráfego total é FV Pi x FVi 100 Na falta de dados mais precisos baseados em pesagens podemos obter FV em função da distribuição por tipo de veículo comercial que solicita o pavimento Sugerese os valores abaixo caminhões médios ônibus de caminhões pesados semireboques reboques FV 50 60 70 80 50 40 30 20 68 58 47 37 Tabela 4 Fatores de Veículo 212 Número equivalente de operações do eixo simples padrão O número equivalente de operações do eixo simples padrão de 82 ton N é calculado pelo produto N VT x FE x FC ou N VT x FV 213 Estrutura do pavimento Dois pavimentos podem ser equivalentes do ponto de vista estrutural embora de espessuras diferentes dependendo dos materiais que constituem suas camadas Para os diferentes materiais que podem constituir um pavimento são adotados coeficientes de equivalência estrutural K baseados principalmente nos resultados da pista experimental da AASTHO São sugeridos os seguintes coeficientes de equivalência estrutural Camada do pavimento Coeficiente K Base ou Revestimento de concreto betuminoso Base ou Revestimento de prémisturado a quente de graduação densa Base ou Revestimento de prémisturado a frio de graduação densa Base ou Revestimento betuminoso por penetração 200 170 140 120 Base de brita graduada ou macadame hidráulico Bases estabilizadas granulometricamente e bases de solo arenoso fino Base de solocimento com resist a compressão a 7 dias a 45 kgfcm² Idem com resistência entre 45 e 28 kgfcm² Idem com resistência entre 27 e 21 kgfcm² Idem com resistência inferior a 21 kgfcm² Base de solocal 110 100 170 140 120 100 120 Subbase granular Reforço do subleito 077 071 Estes coeficientes são designados por KR revestimento KB base KS subbase Kref reforço do subleito Tabela 5 Coeficientes de equivalência estrutural Todos os coeficientes estão referidos a um padrão representado por uma camada granular de boa qualidade estabilizada granulometricamente cujo coeficiente é K 1 Por exemplo uma base de solocimento com resistência 35 kgfcm² K 140 com 10 cm de espessura equivale a uma espessura estrutural de 14 cm de base granular estabilizada granulometricamente 214 Dimensionamento do pavimento A estrutura do pavimento proposta neste método é Figura 4 Seção tipo no método do DNER rreevveessttiim meennttoo bbaassee CCBBRR 6600 ssuubbbbaassee CCBBRR 2200 subleito CBR m R B h20 hn Hn H20 rreeffoorrççoo ddoo ssuubblleeiittoo CCBBRR nn Hm O gráfico a seguir fornece a espessura do pavimento H20 Hn Hm em função do número de operações do eixo padrão N e do CBR da camada em termos de base granular K 1 Figura 5 Gráfico para dimensionamento Método do DNER Em função do número N são recomendadas pelo DNER as seguintes espessuras mínimas de revestimento betuminoso R N Tipo e Espessura mínima do revestimento N 106 Tratamentos superficiais betuminosos 106 N 5 x 106 Revestimento betuminoso com 50 cm 5 x 106 N 107 Concreto betuminoso com 75 cm 107 N 5 x 107 Concreto betuminoso com 100 cm 5 x 107 N Concreto betuminoso com 125 cm O concreto betuminoso pode ser substituído por camadas de outro material desde que se obedeça a respectiva equivalência estrutural Uma vez determinada a espessura total do pavimento Hm acima do subleito e a espessura do revestimento R procedese ao dimensionamento das demais camadas levandose em conta os materiais disponíveis para cada uma delas seus coeficientes de equivalência estrutural K e suas respectivas capacidades de suporte CBR As espessuras de base B subbase h20 e reforço do subleito hn são obtidas pela resolução sucessiva das inequações R KR B KB H20 determinase B R KR B KB h20 KS Hn determina se h20 R KR B KB h20 KS hn Kref Hm determina se hn A espessura mínima a adotar para camadas granulares é 10 cm sendo que se N 107 deve ser adotada espessura mínima de 15 cm Exemplo Dimensionar o pavimento flexível para uma rodovia de pista simples sendo conhecidos 1 Dos materiais Subleito com CBR 7 Reforço do subleito com CBR 15 Subbase granular com CBR 25 Base de brita graduada Revestimento em CBUQ 2 Do tráfego VDM atual nos dois sentidos 3000 vpd veículos comerciais 30 Período de projeto 10 anos Taxa de crescimento do tráfego 5 aa linear Fator de eixo 232 Fator de carga 130 Resolução Fatores devido ao tráfego VDM comercial 3000 x 030 900 vcpd V0 900 x 050 450 vpd pista simples Vm V0 2 P t 2 450 2 10 x 005 2 5625 vcpd VT 365 P Vm VT 365 x 10 x 5625 2053125 vc nº eixos VT x FE 2053125 x 232 4763250 eixos N VT x FE x FC 4763250 x 130 6192225 eixos de 82 ton N 62 x 106 Fatores devidos aos materiais CBR subleito m 7 CBR reforço n 15 CBR subbase 25 adotar CBR 20 KR 200 KB 110 KS 077 Kref 071 Para N 62 x 106 temos R min 75 cm de CBUQ como nosso revestimento já é previsto em CBUQ vamos adotar R 75 cm 450 vcpd pista simples RReevveessttiim meennttoo CCBBUUQ Q bbaassee BBG GSS ssuubbbbaassee CCBBRR 2200 subleito CBR 7 75 B h20 hn Hn H20 rreeffoorrççoo ddoo ssuubblleeiittoo CCBBRR 1155 Hm Hm 51 cm Hn 32 cm H20 26 cm R KR B KB H 20 75 x 200 B x 110 26 B 10 cm R KR B KB h 20 KS H n 15 10 x 110 h 20 x 077 32 15 11 h 20 x 077 32 h 20 78 h 20 10 cm mínimo R KR B KB h 20 KS h n Kref H m 15 11 10 x 077 h n Kref 51 15 11 77 h n Kref 51 hn 244 hn 25 cm Seção tipo do pavimento R R e e v v e e s s t t i i m m e e n n t t o o C C B B U U Q Q b b a a s s e e B B G G S S s s u u b b b b a a s s e e C C B B R R 2 2 0 0 subleito CBR 7 75 cm 10 cm 10 cm 25 cm r r e e f f o o r r ç ç o o d d o o s s u u b b l l e e i i t t o o C C B B R R 1 1 5 5 Poderíamos avaliar a alternativa de eliminar mos a sub base fazendo h 20 zero Nas inequações teríamos R KR B KB H n 75 x 200 B x 110 32 B 16 cm A adição de base seria de 60 cm R KR B KB h n Kref H m 15 16 x 110 h n Kref 51 15 176 h n Kref 51 hn 259 hn 26 cm Seção tipo alternativa do pavimento R R e e v v e e s s t t i i m m e e n n t t o o C C B B U U Q Q b b a a s s e e B B G G S S subleito CBR 7 75 cm 16 cm 26 cm r r e e f f o o r r ç ç o o d d o o s s u u b b l l e e i i t t o o C C B B R R 1 1 5 5 Seção tipo do pavimento RReevveessttiim meennttoo CCBBUUQ Q bbaassee BBG GSS ssuubbbbaassee CCBBRR 2200 subleito CBR 7 75 cm 10 cm 10 cm 25 cm rreeffoorrççoo ddoo ssuubblleeiittoo CCBBRR 1155 Seção tipo alternativa do pavimento RReevveessttiim meennttoo CCBBUUQ Q bbaassee BBG GSS subleito CBR 7 75 cm 16 cm 26 cm rreeffoorrççoo ddoo ssuubblleeiittoo CCBBRR 1155 A decisão por uma ou outra solução será em função de fatores técnicos executivos ou econômicos já que os pavimentos são equivalentes do ponto de vista estrutural