Deformabilidade Elástica de Solos e Materiais de Pavimentação

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 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)

3. Porque as deformações elásticas são importantes?

4. Porque as deformações elásticas são importantes?

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 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)

7. Preparando o ensaio

8. Preparando o ensaio

9. O ensaio vai começar

10. 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 des1 e s3, tal ques1/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

11. Ensaio triaxial de cargas repetidas Para cada combinação de tensõess1/s3, o corpo de prova com altura inicial H0, sofre um encurtamento elásticoDH e def. específica resiliente (elástica) er = DH/H0 Para cada combinação s1/s3o 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 considerandoer(predominantes)

12. Medida de deslocamentos elásticos durante o ensaio

13. 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 sdadmitindo-se também um modelo bi-linear • Modelo combinado MR = f (s3 ; sD)

14. 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

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 sd tanto menor MR Modelo exponencial MR = kisdk2 mas k2 < 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 cms0= 5,6 kgf/cm2

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 s3

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

22. 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

23. 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!

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 ep) • 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 propagampara 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; etaumenta 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

27. Ensaios de fadiga em misturas asfálticas convencionais e modificadas

28. Ensaios de fadiga em misturas asfálticas convencionais e modificadas

29. Vida de fadiga de misturas asfálticas (Pinto, 1991) Ensaio em CPs cilíndricos (compressão diametral) Ds = st – scno centro do CP; como sc = -3 st, Ds = 4 st

30. 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

31. Fatores que afetam o comportamento à fadiga de misturas asfálticas

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, 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)

35. 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)

36. Exemplo de Análise estrutural com ELSYM5 Características do pavimento

37. 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

38. Exemplo de Análise estrutural com ELSYM5 Respostas estruturais

39. Exemplo de Análise estruturalValores 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

40. Exemplo de Análise estrutural com ELSYM5 Características do novo pavimento

41. Exemplo de Análise estrutural com ELSYM5 Respostas estruturais do novo pavimento

42. Exemplo de Análise estruturalValores 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 10-6ev = 209 x 10-6 OK!

43. Exemplo de Análise estruturalValores 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!

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)