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Deformabilidade Elástica de Solos e Materiais de Pavimentação Prof. Washington Peres Núñez LAPAV-UFRGS.

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1 Deformabilidade Elástica de Solos e Materiais de Pavimentação Prof. Washington Peres Núñez LAPAV-UFRGS

2 Deformabilidade elástica de solos e materiais de pavimentação 1. Conceito de resiliência Francis Hveem (California) Resiliência: elasticidade em materiais de pavimentação (deslocamentos são muito maiores do que em outros sólidos elásticos) Trincamento progressivo de revestimentos asfálticos deve-se à deformação resiliente (elástica) das camadas subjacentes, em especial o subleito. Em misturas asfálticas rigidez (stiffness)

3 Porque as deformações elásticas são importantes?

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5 Deformabilidade elástica de solos e materiais de pavimentação 2. Ensaios de cargas repetidas Ensaios tecnológicos procuram simular as condições reais de solicitações no campo Tráfego gera: Carregamentos repetidos de Curta duração com intervalos de repouso em materiais que trabalham à: Compressão (confinada) Tração na Flexão Não ocorre ruptura catastrófica e sim um progressivo enfraquecimento da estrutura, agravado (ou não) por condições ambientais

6 Ensaios de cargas repetidas 2.1Ensaio Triaxial de cargas repetidas Deformabilidade elástica de solos e agregados Corpos de prova cilíndricos compactados ensaiados em câmara triaxial Materiais sujeitos à tensão de confinamento 3 Aplica-se uma força vertical de compressão repetidamente que gera uma tensão desvio D Freqüência e tempo de carregamento : geralmente f = 1 Hz; T carga 0,1 s (reproduz o efeito de carga a 60 km/h à profundidade 40 cm)

7 Preparando o ensaio

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9 O ensaio vai começar

10 Ensaio triaxial de cargas repetidas Considerando um elemento do subleito (base ou sub-base) sem carga externa 3 = h = v Quando o eixo carregado passa pela vertical acima do elemento 3 = h e 1 = v = 3 + D No ensaio aplicam-se várias combinações de 1 e 3, tal que 1 / 3 = 2; 3 e 4. O confinamento ( 3 ) é aplicado com ar comprimido e a tensão desvio D por uma haste que comprime verticalmente o corpo de prova

11 Ensaio triaxial de cargas repetidas Para cada combinação de tensões 1 / 3, o corpo de prova com altura inicial H 0, sofre um encurtamento elástico H e def. específica resiliente (elástica) r = H/H 0 Para cada combinação 1 / 3 o módulo de resiliência do material é dado por: MR = D / r Durante o ensaio acumulam-se também def. permanentes ( P ), mas o MR é calculado considerando r (predominantes)

12 Medida de deslocamentos elásticos durante o ensaio

13 Comportamento resiliente de solos e agregados Solos arenosos e materiais granulares MR = f ( 3 ) O MR aumenta exponencialmente com 3 Solos coesivos MR = f ( D ) O mr diminui exponencialmente com d admitindo-se também um modelo bi-linear Modelo combinado MR = f ( 3 ; D )

14 Fatores que afetam a deformabilidade elástica de solos granulares e agregados Estado de tensões: fator de maior importância; quanto maior 3 ou ( = i ) tanto maior MR Modelos MR = k i 3 k2 ou MR = k i k2

15 Fatores que afetam a deformabilidade elástica de solos granulares e agregados Teor de umidade (saturação): muito importante. Aumento da umidade pode reduzir MR à metade. Efeito mais grave em materiais bem graduados (saibros, BG) se S > 85%.

16 Fatores que afetam a deformabilidade elástica de solos granulares e agregados Granulometria: menor importância; MR diminui ou aumenta com teor de finos (interação com teor de umidade). Cuidado com siltes! forma da partícula: materiais britados tem >MR que pedregulhos. Textura rugosa aumenta MR Energia de compactação: MR cresce com GC (deflexões podem ser usadas para avaliar a compactação) Mineralogia: cuidado com micas!

17 Fatores que afetam a deformabilidade elástica de solos coesivos Estado de tensões: é o + importante; quanto maior d tanto menor MR Modelo exponencial MR = k i d k2 mas k 2 < 0 Modelo bi-linear identifica mudança de comportamento (maior deformabilidade inicial)

18 Fatores que afetam a deformabilidade elástica de solos coesivos Teor de umidade (saturação): muito importante. MR diminui com saturação (umidade). Solos lateríticos bem compactados experimentam pequenas variações de umidade; mesmo assim MR pode cair à metade (importância da drenagem!)

19 Como estimar as tensões para os modelos de MR? Equações de Boussinesq a = 16,8 cm 0 = 5,6 kgf/cm 2

20 Ensaio de cargas repetidas para misturas asfálticas e cimentadas 2.2 Ensaio de compressão diametral com cargas repetidas Deformabilidade elástica de misturas asfálticas e materiais cimentados (BGTC, solo-cimento, etc) Corpos de prova tipo Marshall ensaiados sem tensão de confinamento 3

21 Ensaio cargas repetidas para misturas asfálticas e cimentadas Aplica-se repetidamente uma força vertical F distribuída em um friso que gera compressão na direção vertical e tração na horizontal ( t 30% RT ) F = 1 Hz e t carga = 0,1 s

22 Ensaio de compressão diametral com cargas repetidas 200 repetições de carga F Calcula-se MR = deformação horizontal elástica; H = espessura do CP = coef.de Poisson (0,25 a 0,30) Idem para 300, e se preciso 400, repetições, calcula-se a média

23 Ensaio de compressão diametral com cargas repetidas Ernesto Preussler (1983) CAP 50/60 MR kgf/cm 2 e RT de 7 - 9,5 kgf/cm 2 CAP 85/100 MR kgf/cm 2 e RT 4,5 - 6,9 kgf/cm 2 Em misturas asfálticas O importante é uma boa relação MR/RT (2.500 a 4.000). MR muito altos identificam misturas frágeis!

24 Ensaio de compressão diametral com cargas repetidas MR de misturas asfálticas depende fortemente da temperatura. Ensaio realizado a temperaturas 40°C (acima desta temperatura predominam p ) Salomão Pinto (1991) log MR = 5,38 – 0,03 T

25 Fadiga de misturas asfálticas Repetição de cargas gerando tensões de tração no revestimento asfáltico dá origem, geralmente na parte inferior do revestimento, a trincas que se propagam para cima até atingir a superfície

26 Ensaios de fadiga Ensaios de fadiga de tensão controlada: aplica-se carga constante (10 a 50% da tensão de ruptura tensão estática) repetidamente; t aumenta até a ruptura física do CP Vários CPs, vários níveis de tensão vários N, obtém-se modelos i ; i :tensão e deformação no início do ensaio N: número de repetições até a ruptura do CP

27 Ensaios de fadiga em misturas asfálticas convencionais e modificadas

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29 Vida de fadiga de misturas asfálticas (Pinto, 1991) Ensaio em CPs cilíndricos (compressão diametral) = t – c no centro do CP; como c = -3 t, = 4 t

30 Fadiga de misturas asfálticas Para aplicar em projeto é necessário considerar um fator laboratório-campo, geralmente adota-se 10 4 ou 10 5 Ensaios podem ser realizados em CPs cilíndricos (mesmo equipamento do ensaio de módulo) ou em vigotas prismáticas (flexo-tração). ensaios TC em CPs cilíndricos são os mais severos. Aumento da temperatura diminui MR e aumenta e t ao mesmo tempo que diminui R t e a relação t /R t aumenta diminui vida de fadiga

31 Fatores que afetam o comportamento à fadiga de misturas asfálticas FatorVariação do fatorEfeito na vida de fadiga (TC) Penetração do CAPDecresceAumenta Teor de liganteAumenta Tipo de agregadoAumenta a rugosidade e angularidade Aumenta Granulometria do agregado Aberta a densaAumenta Índice de vaziosDecresceAumenta TemperaturaDecresceAumenta

32 Análise Mecanística de Pavimentos Prof. Washington Peres Núñez LAPAV-UFRGS

33 O que é Análise Mecanística?

34 Etapas da Análise Definir estrutura base pré-dimensionamento, por ex: MDPF do DNER Determinar características elásticas dos materiais MR de laboratório ou de retroanálise, arbitrado Determinar respostas estruturais do pavimento,, deflexões estimadas c/software, por ex: ELSYM5 Comparar respostas estruturais com valores admissíveis valores admissíveis = f(N)

35 Análise estrutural com ELSYM5 Dados de entrada: Número e espessuras das camadas (até 5) MR e de cada camada Número (até 10) e coordenadas (x, y) das cargas Carga por roda e pressão de contato Coordenadas dos pontos de avaliação (x, y, z) Software calcula: Tensões, deformações e deslocamentos (deflexões)

36 Exemplo de Análise estrutural com ELSYM5 Características do pavimento CamadaEspessura(mm)Coef. PoissonMR (MPa) Rolamento (CA)1000, Base (BG)1500,35350 Sub-base granular 1500,35300 Subleito 0,45200

37 Exemplo de Análise estrutural com ELSYM5 Características do carregamento Dados do carregamento Carga por roda N (2.050 kgf = ¼ da carga de eixo padrão) Número de cargas: 2 Pressão de contato: 0,56 MPa (80 psi) Coordenadas dos centros das cargas: x = 0 ; y = 0 x =0 ; y =300 mm

38 Exemplo de Análise estrutural com ELSYM5 Respostas estruturais Prof. (mm) Deflex (10 -2 mm) xx (MPa) yy (MPa) zz (MPa) xx (10 -6 ) yy (10 -6 ) zz (10 -6 ) ,990, ,01-0,58-259

39 Exemplo de Análise estrutural Valores admissíveis para N = 2 x 10 7 Deformação de tração (fadiga) em misturas asfálticas (Pinto, 1991) N Campo = 10 5 N L N L = 2 x 10 2 adm 144 x t adm Não OK! REDEFINIR A ESTRUTURA

40 Exemplo de Análise estrutural com ELSYM5 Características do novo pavimento CamadaEspessura(mm)Coef. PoissonMR (MPa) Rolamento (Mistura alto módulo) 650, Camada asfáltica de ligação 900, Base (BG)1200,35350 Sub-base1200,35300 Subleito 0,45200

41 Exemplo de Análise estrutural com ELSYM5 Respostas estruturais do novo pavimento Prof. (mm) Deflex (10 -2 mm) xx (MPa) yy (MPa) zz (MPa) xx (10 -6 ) yy (10 -6 ) zz (10 -6 ) ,99-0,028 (Comp.) ,990, ,01160,046209

42 Exemplo de Análise estrutural Valores admissíveis para N = 2 x 10 7 Deformação de tração (fadiga) em misturas asfálticas (Pinto, 1991) N Campo = 10 5 N L N L = 2 x 10 2 adm 144 x t = adm OK! Deformações verticais no topo do subleito (Modelo da Shell 1999, c/ confiabilidade de 95%) v = 1,9 x (N f ) -0,21 adm 557 x v = 209 x OK!

43 Exemplo de Análise estrutural Valores admissíveis para N = 2 x 10 7 Deflexão admissível (Preussler e Pinto, 1994) log D adm = 3,148 – 0,188 log N D adm = 59 x mm D = 22 x mm OK! Tensões verticais no topo do subleito (Heukelom e Klomp, 1962) vadm = 0,196 MPa v = 0,046 MPa OK!

44 Desafios para o avanço da Análise Mecanística Necessidade de modelos de previsão de desempenho (MPD) que contemplem estruturas, materiais e as peculiaridades do clima e do tráfego locais; o que pressupõe: Ensaios laboratoriais que permitam obter parâmetros para análise (MR, vida de fadiga) confiáveis Informações confiáveis sobre espessuras e materiais constituintes das camadas, bem como GC e teor de umidade (as built) Medidas de deflexões, irregularidade, etc. logo após a execução do pavimento Monitoramento contínuo de pavimentos com tráfego real Contagem e pesagem de veículo comerciais (N?) Fatores de equivalência de carga representativos Estabelecimento de fatores laboratório-campo mais confiáveis

45 Ensaios Acelerados de Pavimentos Ferramenta indispensável para estabelecer MPD

46 Isso também é feito no RS! Área de Pesquisas e Testes de Pavimentos UFRGS, DAER/RS, AREOP, Concessionárias e Meio Empresarial Trabalhando pelo avanço da tecnologia de pavimentação

47 Medidas de deflexões para avaliação estrutural e projeto de reforços de pavimentos flexíveis Prof. Washington Peres Núñez LAPAV-UFRGS

48 Viga Benkelman

49 Falling Weight Deflectometer (FWD)

50 Bacia de deflexões Linha de influência ou deformada Fornece elementos para avaliação estrutural: Deflexão máxima Raio de curvatura Permite estimar módulos de resiliência in situ (retroanálise)


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