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Laboratório de Mecânica de Pavimentos AVALIAÇÃO ESTRUTURAL DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS José Tadeu Balbo 1. Objetivos da Avaliação Estrutural 2. Normas Brasileiras Aplicáveis 3. Avaliação Estrutural Destrutiva 4. Avaliação Estrutural Não-Destrutiva 5. Caracterização da Deformabilidade da Estrutura 6. Caracterização dos Segmentos Homogêneos 7.Retroanálise de Módulos Resilientes com base nas Deformações _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 1 Laboratório de Mecânica de Pavimentos 1. Objetivos da Avaliação Estrutural F Caracterizar a estrutura de pavimento existente materiais espessuras condições de integridade dos materiais F Definir os padrões e causas de defeitos revestimentos asfálticos (aula anterior) bases e sub-bases F Caracterizar a capacidade portante níveis e padrões de deformação análise de parâmetros elásticos in situ F Coletar os materiais existentes para checagem de resistências, densidades e umidades F Divisão do trecho de rodovia em estudo em segmentos homogêneos F Parâmetros básicos para projeto a serem definidos para projeto deflexão característica deflexão admissível de projeto raio de curvatura da bacia de deflexões freqüências de defeitos por tipo índice de gravidade global (IGG) número estrutural do pavimento (SNC) % de área fissurada no pavimento (%TR) _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 2 Laboratório de Mecânica de Pavimentos 2. Normas Brasileiras Aplicáveis DNER IS-212 Instrução de serviço para avaliação estrutural e projeto de reabilitação de pavimento DNER ME-024 Determinação das deflexões do pavimento pela viga Benkelman DNER PRO 273 FWD Determinação das deflexões do pavimento pelo falling weight deflectometer – DNER PRO 008 Avaliação objetiva da superfície de pavimentos flexíveis e semi-rígidos DNER ES 128 Levantamento da condição de superfície de segmentos- testemunhas de rodovia de pavimentos flexíveis ou semi-rígidos a nível de gerência DNER PRO 10-A Avaliação estrutural de pavimentos flexíveis – A DNER PRO 11-B Avaliação estrutural de pavimentos flexíveis – B _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 3 Laboratório de Mecânica de Pavimentos 3.Avaliação Estrutural Destrutiva (prospecções) OBJETIVO: Conhecer a estrutura existente detalhadamente Ocorr. Material Espes (cm) Condição SIM CBUQ 7,0 FC-2 SIM PMQ 5,5 FISSURADA SIM SOLO CIMENTO 15,0 FISSURAS EM BLOCO SUB-BASE SIM SOLO MELHORADO C/ CIMENTO (A-2-4) 16,0 ------- REFORÇO DO SUBLEITO NÃO ------- ------- ------- ------- LA A-2-4 ------- SATURADO REVESTIMENTO CAMADA DE LIGAÇÃO BASE SUBLEITO MEIOS: F Por recorrência a projetos anteriores relatórios de projeto, desenhos, as built e relatórios de obra F Por inspeções em pista _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 4 Laboratório de Mecânica de Pavimentos 3.1 Inspeções em Pista F Abertura de cavas laterais (pavimento/acostamento) Poços de 0,8 m x 0,8 m aproximadamente (pá e picareta) Medidas de espessuras Avaliação visual das condições dos materiais Coleta de amostras (até prof. de 60 cm do subleito) Determinação de densidades e umidades in situ F Abertura de trincheiras em pista de rolamento Poços de 1m pela largura da faixa de rolamento Medidas de espessuras Avaliação visual de deformações plásticas em camadas e outras degradações Coleta de amostras Ensaios in situ F Sondagens rotativas Amostras de camadas com ligantes betuminosos e hidráulicos (se em condição de integridade) Não amostra demais camadas (retirada, perturbações) F Sondagens a trado Verificação de presença de água Acostamentos e bordos laterais F Necessidade de fechamento do local de inspeção 3.2 Opção de Prospecção Não-destrutiva Equipamentos tipo “ground penetrating radar” (geofísico) _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 5 Laboratório de Mecânica de Pavimentos 3.3 Produção dos Serviços de Prospecção _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 6 Laboratório de Mecânica de Pavimentos Tipo Equipamento Cavas laterais Pá e picareta, Soquete Rotativas Radar Equipe 1 H x dia Sonda rotativa, veículo GPR+ veículo 1 H x dia Produção 8 cavas 2 H x dia 15 a 20 40 km 3.4 Posicionamento de Sondagens • De acordo com norma brasileira: F fase preliminar: a cada 2 km F fase complementar: a cada 200 m caso critério de resistência • Sugestões práticas: F certeza de homogeneidade de características ao longo da via: possível redução de prospecções F condições geológicas e pedológicas variáveis: selecionar pontos de sondagem adequadamente (para mais ou para menos) F cortes ou aterros problemáticos: programação específica _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 7 Laboratório de Mecânica de Pavimentos 4. Avaliação Estrutural Não-Destrutiva OBJETIVO: Conhecer a capacidade portante do pavimento existente com emprego de prova de carga MEIOS: F Viga de Benkelman F Falling Weight Deflectometer (FWD) – defletômetro por impacto 4.1 Deflexões Benkelman F É o método mais difundido no Brasil F Parâmetros de deflexões em normas referem-se à viga de Benkelman Princípio: a b α α d pav Lo Lf (extensômetro) Por semelhança de triângulos: dpav / a = Lo – Lf / b ð dpav = (Lo – Lf) . (a / b) onde: dpav = deflexão medida sob a roda a/b = relação de braços da viga de Benkelman Lo = leitura inicial no extensômetro Lf = leitura final no extensômetro _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 8 Laboratório de Mecânica de Pavimentos 4.1.1 Delimitação da Linha Longitudinal de Influência da Carga (Bacia) _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 9 Laboratório de Mecânica de Pavimentos 4.1.2 Raio de Curvatura da Bacia distância da carga (cm) 0 50 100 150 200 250 200 250 deflexões (0,01 mm) 0 10 20 30 40 50 60 distância da carga (cm) 0 50 100 150 deflexões (0,01 mm) 0 10 20 30 40 50 60 F Empregos de informações sobre a bacia de deflexões DNER (PRO 10-A e 11-B) Limites de natureza empírica (R = 100 m) Fórmula de cálculo: R = 6.250 / 2 . (D0 – D25) Inferência sobre a integridade estrutural de bases cimentadas _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 10 Laboratório de Mecânica de Pavimentos 4.2 Falling Weight Deflectometer (FWD) Princípio de aplicação de carga: Força de impulso contra a superfície do pavimento Aplicada sobre uma placa rígida de 300 mm de diâmetro Onda senoidal de duração de 25 a 30 ms Peso do martelo de 50, 100, 200 e 300 kg Altura de queda de 20 a 381 mm Pico de força aplicada de 7 a 107 kN (célula de carga) Medidas de deflexões: Sete transdutores de velocidade dispostos longitudinalmente Os geofones são apoiados sobre a superfície O primeiro geofone no centro da placa de aplicação Seis geofones dispostos até 2,25 m do centro da placa 4.3 Produções diárias de medidas de deflexões _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 11 Laboratório de Mecânica de Pavimentos Tipo Equipamento Benkelman Viga, Equipe Produção 4 H x dia 6 km (c/40 m) 2 H x dia 40 km Caminhão FWD FWD+reboque 4.4 Limitações da viga de Benkelman F Pavimentos com rigidez maior: viga dentro da bacia F Leitura manual: erros sistemáticos ou grosseiros F Erro de posicionamento da ponta de prova F Exige operação com apoio policial intenso F Medidas de temperatura realizadas manualmente 4.5 Valores Comparativos F Viga de Benkelman teste estático (carga estacionária) deformações elásticas e visco-elásticas F FWD teste dinâmico por impacto (pulso de carga) não mobiliza toda a parcela visco-elástica da deformação em geral, deflexões menores temperatura do CA registrada automaticamente 5. Caracterização da Deformabilidade da Estrutura • Variabilidade das deflexões ao longo do trecho de rodovia • Necessidade de definição de segmentos de igual deformabilidade _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 12 Laboratório de Mecânica de Pavimentos F Tratamento estatístico dos valores de deflexões máximas medidas • Tratamento gráfico dos valores de deflexão ao longo do trecho • Delimitação tentativa visual de segmentos homogêneos • Verificação da homogeneidade dos dados (DNER PRO-10 e PRO-11) F Calcular a deflexão média no segmento selecionado xd = ∑ di / n F Calcular o desvio padrão da média sd = √ (∑ (xd - di)2 / n-1) F Calcular o intervalo de variação: xd ± z . sd sendo z adotado conforme o tamanho da amostra de valores de deflexão: n 3 4 5-6 7-19 ≥ 20 z 1 1,5 2 2,5 3 F Verifica-se se todas as deflexões da amostra estão contidas no intervalo de variação acima F Elimina-se as deflexões fora do intervalo e recalcula-se o novo intervalo até atendimento F A deflexão característica será: dc = xd + sd 6. Caracterização dos Segmentos Homogêneos de Projeto Definição SEGMENTO HOMOGÊNEO trata-se de uma extensão contínua de pavimento que apresenta características que podem ser tomadas como constantes em termos de: _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 13 Laboratório de Mecânica de Pavimentos Tráfego solicitante Estrutura de pavimento existente Defeitos superficiais presentes Deformabilidade (deflexões) Conforto de rolamento (serventia, irregularidade) _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. 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Tais análises são confrontadas com as soluções empíricas dos métodos de projeto do DNER para melhor abalizar o dimensionamento da espessura de reforço e a seleção de mistura asfáltica mais adequada ao tráfego futuro PRINCÍPIOS DO PROCESSO: • • • • carga cria campo de deformações na estrutura próximo à carga, todas as camadas, em todos os seus pontos sofrem deformações na medida em que se afasta da carga, há pontos e camadas onde deformações não são mobilizadas (deslocamentos apenas) as deformações verticais são dependentes portanto das deformações mobilizadas nos materiais Q Bacia de Deformaçõ Campo de Deformaçõ Revestimento h1 , E1 , ν 1 Base h2 , E2 , ν 2 Subleito E3 , ν 3 _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 15 Laboratório de Mecânica de Pavimentos NECESSIDADES DO PROCESSO: F Conhecer detalhadamente a estrutura do pavimento F Conhecer as condições de integridade dos materiais F Determinar com precisão em campo a bacia de deflexões F Dispor de modelo elástico ou numérico para a simulação teórica da bacia de deflexões TÉCNICA TRADICIONAL PARA O PROCESSO: F Empregar programa baseado na Teoria Elástica de Sistemas de Camadas (em nosso curso, o programa ELSYM5) F Conhecidas: carga empregada em campo (em geral, ESRD) pressão nos pneumáticos espessuras das camadas F O projetista faz uma estimativa inicial de módulos resilientes... experiência condições dos materiais observadas em campo resultados de testes laboratoriais temperaturas e umidade observada em campo ... e simula computacionalmente a bacia de deflexões teórica ... refinamentos sucessivos para a aproximação (colimação) da bacia teórica com a bacia obtida em campo ... ... até que, para um dado padrão de erro admitido pelo projetista no processo, chega-se aos módulos resilientes desejados LIMITAÇÕES DO PROCESSO TRADICIONAL: F número de interações depende da experiência F a retroanálise poderá dar bons resultados de estimativa apenas para camadas mais profundas (subleitos, sub-bases e bases) F a não-linearidade elástica de subleitos poderá dificultar a busca F não é possível precisar MR do revestimento com retroanálises EXEMPLO PARA TRÊS CAMADAS: • Carga de prova: ESRD com 20 kN por roda, pressões de 0,54 MPa _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 16 Laboratório de Mecânica de Pavimentos • Pavimento: 50 mm de CBUQ 160 mm de BGS Subleito tipo LA (MCT) • Condições das camadas: Revestimento íntegro Base não contaminada Temperatura do CA de 45oC • Coeficientes de Poisson admitidos (típicos para as condições) ν1 = 0,35 ν2 = 0,40 ν3 = 0,45 _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 17 Laboratório de Mecânica de Pavimentos 1ª Tentativa: E1=3.000 MPa; E2=200 MPa; E3=80 MPa Distância (cm) 0 25 50 75 100 125 150 175 200 0 0,1 Deflexão (mm) 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Bacia medida Bacia calculada 2ª Tentativa: E1=3.000 MPa; E2=200 MPa; E3=110 MPa Distância (cm) 0 25 50 75 100 125 150 175 200 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Deflexão (mm) 0,6 0,7 Bacia medida Bacia calculada 3ª Tentativa: E1=2.500 MPa; E2=250 MPa; E3=110 MPa _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 18 Laboratório de Mecânica de Pavimentos Distância (cm) 0 25 50 75 100 125 150 175 200 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Deflexão (mm) 0,5 0,6 Bacia medida Bacia calculada 4ª Tentativa: E1=2.600 MPa; E2=270 MPa; E3=105 MPa Distância (cm) 0 25 50 75 100 125 150 175 200 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Deflexão (mm) 0,5 0,6 Bacia medida Bacia calculada _________________________________________________________________________________________________ Laboratório de Mecânica de Pavimentos - LMP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Transportes Av. Prof. Almeida Prado, Travessa 2, no. 83 – Cidade Universitária – São Paulo – CEP 05508-900 fone: 11-818 5306 - fax: 11-818 5716 19