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

Deformabilidade elástica de solos e materiais de pavimentação 1. Conceito de resiliência 1955- 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)

Porque as deformações elásticas são importantes?

Porque as deformações elásticas são importantes?

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

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 s3 Aplica-se uma força vertical de compressão repetidamente que gera uma tensão desvio sD Freqüência e tempo de carregamento : geralmente f = 1 Hz; Tcarga  0,1 s (reproduz o efeito de carga a 60 km/h à profundidade 40 cm)

Preparando o ensaio

Preparando o ensaio

O ensaio vai começar

Ensaio triaxial de cargas repetidas Considerando um elemento do subleito (base ou sub-base) sem carga externa s3 = sh = sv Quando o eixo carregado passa pela vertical acima do elemento s3 = sh e s1= sv = s3 + sD No ensaio aplicam-se várias combinações de s1 e s3, tal que s1/s3 = 2; 3 e 4. O confinamento (s3) é aplicado com ar comprimido e a tensão desvio sD por uma haste que comprime verticalmente o corpo de prova

Ensaio triaxial de cargas repetidas Para cada combinação de tensões s1/s3, o corpo de prova com altura inicial H0, sofre um encurtamento elástico DH e def. específica resiliente (elástica) er = DH/H0 Para cada combinação s1/s3 o módulo de resiliência do material é dado por: MR = sD/er Durante o ensaio acumulam-se também def. permanentes (eP), mas o MR é calculado considerando er (predominantes)

Medida de deslocamentos elásticos durante o ensaio

Comportamento resiliente de solos e agregados Solos arenosos e materiais granulares MR = f (s3) O MR aumenta exponencialmente com s3 Solos coesivos MR = f (sD) O mr diminui exponencialmente com sd admitindo-se também um modelo bi-linear Modelo combinado MR = f (s3 ; sD)

Fatores que afetam a deformabilidade elástica de solos granulares e agregados Estado de tensões: fator de maior importância; quanto maior s3 ou q (q = si + 2s3) tanto maior MR Modelos MR = kis3k2 ou MR = kiqk2

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%.

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!

Fatores que afetam a deformabilidade elástica de solos coesivos Estado de tensões: é o + importante; quanto maior sd tanto menor MR Modelo exponencial MR = kisdk2 mas k2 < 0 Modelo bi-linear identifica mudança de comportamento (maior deformabilidade inicial)

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!)

Como estimar as tensões para os modelos de MR? Equações de Boussinesq a = 16,8 cm s0 = 5,6 kgf/cm2

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 s3

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 (st  30% RT) F = 1 Hz e tcarga = 0,1 s

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

Ensaio de compressão diametral com cargas repetidas Ernesto Preussler (1983) CAP 50/60 MR 35.000 - 45.000 kgf/cm2 e RT de 7 - 9,5 kgf/cm2 CAP 85/100 MR 20.000 - 30.000 kgf/cm2 e RT 4,5 - 6,9 kgf/cm2 Em misturas asfálticas O importante é uma boa relação MR/RT (2.500 a 4.000). MR muito altos identificam misturas frágeis!

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 ep) Salomão Pinto (1991) log MR = 5,38 – 0,03 T

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

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

Ensaios de fadiga em misturas asfálticas convencionais e modificadas

Ensaios de fadiga em misturas asfálticas convencionais e modificadas

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

Fadiga de misturas asfálticas Para aplicar em projeto é necessário considerar um fator laboratório-campo, geralmente adota-se 104 ou 105 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 et ao mesmo tempo que diminui Rt e a relação st/Rt aumenta  diminui vida de fadiga

Fatores que afetam o comportamento à fadiga de misturas asfálticas Variação do fator Efeito na vida de fadiga (TC) Penetração do CAP Decresce Aumenta Teor de ligante Tipo de agregado Aumenta a rugosidade e angularidade Granulometria do agregado Aberta a densa Índice de vazios Temperatura

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

O que é Análise Mecanística?

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

Análise estrutural com ELSYM5 Dados de entrada: Número e espessuras das camadas (até 5) MR e n 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)

Exemplo de Análise estrutural com ELSYM5 Características do pavimento Camada Espessura(mm) Coef. Poisson MR (MPa) Rolamento (CA) 100 0,25 4.000 Base (BG) 150 0,35 350 Sub-base granular 300 Subleito  0,45 200

Exemplo de Análise estrutural com ELSYM5 Características do carregamento Dados do carregamento Carga por roda 20.500 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

Exemplo de Análise estrutural com ELSYM5 Respostas estruturais Prof. (mm) Deflex (10-2 mm) sxx (MPa) syy (MPa) szz (MPa) exx (10-6) eyy (10-6) ezz (10-6) 28 99,99 0,98 209 400,01 -0,58 -259

Exemplo de Análise estrutural Valores admissíveis para N = 2 x 107 Deformação de tração (fadiga) em misturas asfálticas (Pinto, 1991) NCampo = 105 NL  NL = 2 x 102  eadm  144 x 10-6 et  eadm Não OK! REDEFINIR A ESTRUTURA

Exemplo de Análise estrutural com ELSYM5 Características do novo pavimento Camada Espessura(mm) Coef. Poisson MR (MPa) Rolamento (Mistura alto módulo) 65 0,25 5.000 Camada asfáltica de ligação 90 3000 Base (BG) 120 0,35 350 Sub-base 300 Subleito  0,45 200

Exemplo de Análise estrutural com ELSYM5 Respostas estruturais do novo pavimento Prof. (mm) Deflex (10-2 mm) sxx (MPa) syy (MPa) szz (MPa) exx (10-6) eyy (10-6) ezz (10-6) 22 64,99 -0,028 (Comp.) 17 154,99 0,483 144 395,01 16 0,046 209

Exemplo de Análise estrutural Valores admissíveis para N = 2 x 107 Deformação de tração (fadiga) em misturas asfálticas (Pinto, 1991) NCampo = 105 NL  NL = 2 x 102  eadm  144 x 10-6 et = eadm OK! Deformações verticais no topo do subleito (Modelo da Shell 1999, c/ confiabilidade de 95%) ev = 1,9 x 10-2 (Nf)-0,21 eadm  557 x 10-6 ev = 209 x 10-6 OK!

Exemplo de Análise estrutural Valores admissíveis para N = 2 x 107 Deflexão admissível (Preussler e Pinto, 1994) log Dadm = 3,148 – 0,188 log N Dadm = 59 x 10-2 mm D = 22 x 10-2 mm OK! Tensões verticais no topo do subleito (Heukelom e Klomp, 1962) svadm = 0,196 MPa sv = 0,046 MPa OK!

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

Ensaios Acelerados de Pavimentos Ferramenta indispensável para estabelecer MPD

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

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

Viga Benkelman

Falling Weight Deflectometer (FWD)

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)