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relatório sobre estradas, revestimentos e defeitos.
Tipologia: Trabalhos
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Bruno Bezerra da Silva Ellen Karine Silva de Moura Karen Nayara Marcolino da Silva Nicolas Mateus Muniz Projeto de Dimensionamento- Pavimento Flexível Caruaru 2023
Bruno Bezerra da Silva Ellen Karine Silva de Moura Karen Nayara Marcolino da Silva Nicolas Mateus Muniz Projeto de Dimensionamento- Pavimento Flexível Trabalho apresentado como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina de Estradas 2, no Curso de Engenharia Civil, no período 2022.2, na Universidade Federal de Pernambuco, Campus Acadêmico do Agreste. Profº Renato Mahon Macêdo. Caruaru 2023
O pavimento é uma estrutura composta por várias camadas, de diferentes materiais, sobre a superfície final da terraplenagem, destinada a resistir aos esforços oriundos do tráfego de veículos e a garantir aos usuários melhores condições de rolamento, como: ● Segurança da rodovia – relativa às boas condições de regularidade, drenagem e aderência; ● Regularidade dos serviços – a manutenção da rodovia pode ocasionar interrupção do tráfego; ● Conforto do usuário – tratamento visual, nível de ruído e boas condições da superfície de rolamento. O pavimento flexível é apenas um dos tipos de pavimento existentes, são eles rígidos, semirrígidos e flexíveis. E ele se diferencia dos demais por apresentar deformação elástica significativa sob o carregamento aplicado em todas as camadas e, portanto, a carga se distribui em parcelas aproximadamente iguais entre elas. O dimensionamento de um pavimento tem como objetivo calcular e/ou verificar as espessuras das camadas, e compatibilizar os tipos de materiais que serão utilizados, como forma de construir uma estrutura capaz de suportar a um determinado volume de tráfego pré estabelecido pelo horizonte de projeto e nas condições climáticas. Neste trabalho, o dimensionamento será realizado pelo método do DNER (DNIT) e pelo software MeDiNa, com o intuito de realizar comparações que levarão à um dimensionamento mais econômico e também mais seguro.
O pavimento a ser dimensionado será composto de quatro camadas mais o subleito (solo natural), serão elas: ● Revestimento: realizado com Concreto Betuminoso com 3% de ligante; ● Base: realizada com Material Granular, com CBR 80%; ● Sub-base: realizada com Material Granular, com CBR 20%; ● Reforço de Subleito: realizado com Material Granular, com CBR 15%. Os dados de tráfego indicam uma predominância de veículos de carga por eixos simples inferiores à do eixo padrão e, consequentemente, de veículos de dois eixos: ● Número N = 6 x 10^7 As larguras das camadas deverão ser: ● Revestimento – 7m; ● Base - 8 m; ● Sub-base – 9 m; ● Reforço - 10 m. A estrada deve ter uma extensão de 1 (um) quilômetro, para qual além do dimensionamento deve ser analisada as questões de custos (R$/km). 3 METODOLOGIA 3.1 Método do DNER (DNIT) O método do DNER (1981) simula os efeitos de repetições de um eixo padrão de 80kN. Esse método foi concebido pelo professor Murilo Lopes de Souza do Instituto Militar de Engenharia. Segundo esse método, as características dos materiais por camadas devem ser as seguintes: Subleito: ● CBR >= 2%; ● Expansão <= 2%.
Figura 1 – Coeficientes de Equivalência Estrutural Fonte: Engenharia Rodoviária (Ricardo Venescau), 2022. Segundo o Manual de Pavimentação do DNIT, os coeficientes estruturais são designados por: ● Revestimento : KR; ● Base : KB; ● Sub base : KS; ● Reforço : KRef. 3.1.1 Sequência De Cálculos O primeiro passo para definição das camadas é escolher o tipo de revestimento, o qual está diretamente relacionado com o esforço do tráfego indicado pelo número “N”. A Figura 2 apresenta a tabela na qual o tipo e a espessura mínima do revestimento são definidos.
Figura 2 – Definição do Tipo e Espessura do Revestimento Fonte: Engenharia Rodoviária (Ricardo Venescau), 2022. O próximo passo para dimensionamento do pavimento é definir as espessuras das camadas utilizando inequações pré-definidas no método (Figura 3) e pelas curvas indicadas na Figura 5, as quais determinam a espessura de material que deve estar sobre uma camada considerando parâmetros de tráfego e de suporte dos materiais constituintes. Figura 3 – Inequações para determinação das Espessuras das Camadas Fonte: Engenharia Rodoviária (Ricardo Venescau), 2022. Onde, ● R = Espessura do revestimento; ● B = Espessura da camada de base; ● H 20 = Espessura sobre a camada de sub base; ● h 20 = Espessura da camada de sub base; ● Hn = Espessura sobre a camada de reforço do subleito; ● hN = Espessura da camada de reforço do subleito; ● HM = Espessura sobre a camada de subleito;
Para facilitar o entendimento, na Figura 5 o eixo das abscissas apresenta a potência de 10 do número “N” e o eixo das ordenadas apresenta a espessura máxima que deve existir sobre a camada estudada. É importante ressaltar que as normas apresentam que as espessuras máximas e mínimas que devem ser adotadas para cada camada são respectivamente 20cm e 10cm. As normas ressaltam também que a espessura mínima para facilitar a construção a ser adotada para as camadas granulares deve ser de 15cm, para facilitar a compactação. Uma observação importante é que, mesmo que o CBR da camada de sub base seja superior a 20%, a espessura do pavimento para protegê-la é determinada como se o valor fosse 20 e, por esta razão, sempre são usados os símbolos H 20 e h20. O DNER recomenda ainda que subbases com CBR maior que 40% e N menor que 10^6 podem sofrer redução de espessura em 20%. Entretanto, para o caso de número de repetições do eixo padrão superior a 10^7 recomenda-se o aumento de 20% da espessura. Dessa forma, utilizando-se as inequações da Figura 3 e as curvas da Figura 5 é possível determinar as espessuras das camadas do pavimento. 3.2 Método Dimensionamento Nacional (MeDiNa) O MeDiNa é um programa computacional que realiza a verificação do dimensionamento de estruturas de pavimentos mecanístico-empírico, por meio da rotina AEMC de análise de camadas de múltiplas camadas.
Este programa foi desenvolvido pelo Termo de Execução Descentralizado TED 682/2014 celebrado entre o Instituto de Pesquisas Rodoviárias – IPR e o Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia da Universidade do Rio de Janeiro – COPPE. O novo método de pavimentação asfáltica foi denominado de Medina em homenagem ao engenheiro Jacques de Medina, que introduziu a mecânica dos pavimentos no Brasil. Trata-se de uma atualização da técnica utilizada no Brasil, ainda da década de 1960, e inclui tecnologias já adotadas em outros países. Desenvolvido em Visual C++, que permite uma agilidade no processo de cálculos matemáticos, o MeDiNa reune em poucas telas a entrada de dados, com campos facilmente editáveis e a apresentação dos resultados em relatórios. 4 DIMENSIONAMENTO 4.1 Pelo Método do DNER Inicialmente pelo nível de tráfego ( N= 6 * 10 ), definimos o tipo de material e 7 a espessura da camada de revestimento. Pela figura 2, concluímos que o material a ser aplicado no revestimento é o concreto betuminoso, com espessura mínima de 12,5 cm. A figura 5, pode ser substituída pela seguinte equação: 𝐻 = 77 , 67 * 𝑁 0 , 0482
𝑛
𝑚 𝐻 20 = 77 , 67 * ( 6 * 10 7 ) 0 , 0482
Figura 6: MeDiNa- Resultado 1 (valores calculados anteriormente) Fonte: Autores, 2023. Como podemos observar, o programa nos alerta que a estrutura proposta não suporta o tráfego elevado, o que pode ser comprovado pela área trincada igual a 99%. Ao tentarmos ajustar as camadas para suportar esse nível de tráfego, o programa também nos alerta que as camadas alcançam os limites máximos e ainda não alcançam a resistência suficiente para esse nível de tráfego. Nesse caso, a base deve ter seu material alterado e redimensionado. É válido ressaltar, que para uma possível implantação do pavimento com as mesmas características granulares, foi escolhido para a camada de base um melhoramento com cimento. Na figura 7, são vistos os resultados dentro dos limites máximos especificados pelo Medina: a área trincada em 28,6% e o afundamento da trilha de roda 1,3 mm.
Figura 7: MeDiNa- Resultado 2 (Brita melhorada com cimento). Fonte: Os autores (2023). 5 ANÁLISE DE CUSTO-BENEFÍCIO A fim de comparar os custos, foram calculados mais três alternativas pelo Método do DNER (DNIT), e em seguida lançados os dados no MeDiNa, na qual as espessuras finais são descritas na tabela abaixo: Tabela 1: Custos das quatro alternativas. Fonte: Os autores (2023).
O pavimento de uma rodovia é uma estrutura constituída por um sistema de camadas em que materiais de diferentes deformabilidades e resistências estão em contato, sendo responsável por resistir às cargas do tráfego. Tendo em vista o constante aumento do tráfego, as mudanças nas configurações dos veículos, bem como, os diversos tipos de defeitos estruturais a que um pavimento está sujeito, a deformação permanente em trilha de roda da camada de rolamento é um dos mais importantes, pois além de propiciar uma degradação acelerada da estrutura do pavimento, ele reduz consideravelmente a segurança do usuário. Logo, se fez necessária a atualização dos métodos de dimensionamento de pavimentos, como apresentado no presente relatório. O desenvolvimento da análise em questão trouxe os diferentes resultados obtidos pelos métodos DNER e MEDINA no processo de dimensionamento e verificação do pavimento flexível. O DNER é um método baseado em uma análise estática da aplicação da carga. Enquanto, o MEDINA veio aumentar a confiabilidade nos projetos dos pavimentos, reduzindo assim os custos de manutenção. Ele é baseado na carga aplicada pelo tráfego e na capacidade que o subleito e suas camadas protetoras apresentam de resistir a esses esforços, levando em consideração principalmente os módulos de resiliência dos materiais. Diante das quatro alternativas expostas, a que apresentou o menor custo foi a alternativa 2, estudada no presente relatório. Dentre as outras três opções a menos onerosa foi a alternativa 1, que tem como base o solo-cimento, com o valor de R$ 761.200,998 (Tabela 2). Analisando a tabela abaixo, foi visto que a camada de base utilizando BGTC - brita graduada tratada com cimento, mesmo tendo um custo unitário mais elevado, apresentou uma maior vantagem devido sua menor espessura.
Tabela 2: Comparação dos custos da alternativa 1 e 2. Fonte: Os autores (2023). Além disso, a área trincada ao fim do período de projeto foi menor que a da alternativa 1, devido à maior resistência do material utilizado na alternativa 2, visto na imagem abaixo. Figura 9: Área trincada da alternativa 1. Fonte: Os autores (2023).
