Uma das etapas fundamentais do dimensionamento de pavimentos no Brasil é a verificação mecanística. O método de dimensionamento em vigor no Brasil possui como critério de falha a ruptura por cisalhamento das camadas do pavimento. Ou seja, um dos principais defeitos que observamos nos pavimentos, a fadiga, não é prevista no método. Para que o pavimento não sofra de ruptura precoce por fadiga, o engenheiro deve então realizar uma análise estrutural do pavimento e verificar se a estrutura proposta atende ao período de vida útil definido para os diferentes modos de falha.
Figura 1 – Considerações sobre a pressão de enchimento dos pneus em métodos de dimensionamento de pavimentos
O dimensionamento de pavimentos consiste em determinar a espessura das camadas para resistir uma certa solicitação durante um horizonte de projeto. Diversas variáveis precisam ser estudadas para que o projeto atinja o seu objetivo principal e proporcione segurança e conforto ao usuário. Contudo, um dos maiores motivos de reclamação em cidades é a presença de buracos nas vias. A verdade é que existem diversos motivos pelos quais a vida útil de um pavimento pode ser influenciada. Este artigo não tem como objetivo esgotar todo o assunto, mas sim apresentar um motivo que pode estar prejudicando o desempenho dos pavimentos rodoviários.
Durante o período de projeto de um pavimento rodoviário, existem diversos tipos de eixos e diferentes configurações de carga que podem solicitar a estrutura. Dessa forma, é necessário que os diferentes eixos sejam analisados em função de um mesmo referencial. O chamado eixo rodoviário padrão foi estabelecido no final da década de 1950 durante as pesquisas desenvolvidas nas pistas experimentais da AASHO e que tinham como objetivo entender o dano causado pelo tráfego nos pavimentos. Você pode ler mais sobre as pistas experimentais da AASHO em um artigo específico no Além da Inércia clicando aqui.
Figura 1 – Análise de tensões no ANSYS. Fonte: Autor, 2021.
A primeira teoria que possibilitou o estudo da mecânica dos pavimentos foi desenvolvida por Joseph Boussinesq (1842-1929) no final do século XIX, a qual permitia o cálculo de tensões, deformações e deslocamentos em um meio elástico em função da profundidade de análise (z) e da distância radial (r). As equações propostas por Boussinesq consideravam a aplicação de uma carga pontual (P) em um meio semi-infinito, homogêneo, elástico e isotrópico com base na lei de Hooke generalizada, conforme Figura 1. Por considerar uma carga pontual, inicialmente as equações de Boussinesq não seriam válidas para uso em pavimentação. Contudo, as equações foram estendidas para uma carga uniformemente distribuída (p) sobre área circular de raio a, conforme Figura 2. (BALBO, 2007). Você pode conhecer mais sobre as Equações de Boussinesq no nosso artigo sobre o tema.
Figura 1 – Esta é a função dos pavimentos. Fonte: Autor, 2020.
As estruturas da engenharia civil estão presentes no dia-a-dia das pessoas, de forma que, muitas vezes, o leigo acredite que tem conhecimento suficiente para opinar sobre alguns conceitos que tangenciam nossa profissão. Não é atoa que vemos construções residenciais sem a consulta de um profissional capacitado para de fato projetar, planejar e executar aquela construção. Na pavimentação acontecem alguns pontos parecidos. O fato de diariamente presenciarmos os pavimentos em ruas da cidade, muitas vezes trincados, infelizmente, faz com que pensemos que esse é o normal. “Pavimentos sempre estarão trincados”, é o que o público leigo acaba pensando.
Bom, nosso papel como engenheiros e educadores é justamente prevenir com que esse tipo de pensamento aconteça. E isso só ocorrerá quando começarmos a tratar os pavimentos de fato como estruturas que devem e precisam ser conservadas. Mudar essa linha de pensamento é muito mais do que algo estético, manter pavimentos conservados tem como objetivo a manutenção das funções de um pavimento. Mas, qual seriam essas funções?
Em diversos países, o método de dimensionamento de pavimentos tem passado por atualizações que são importantes para garantir um bom desempenho dessas estruturas. Para o dimensionamento de pavimentos, é necessária a realização de alguns ensaios que tem como objetivo a caracterização do comportamento dos materiais. A evolução dos métodos de dimensionamento, de empíricos para empírico-mecanísticos, reflete também em mudanças nos ensaios necessários para essa definição de materiais.
O que é Califórnia Bearing Ratio (CBR)?
Quando tratamos especificamente do dimensionamento das estruturas de pavimentos, o ensaio mais conhecido é com certeza o Califórnia Bearing Ratio – comumente chamado pela sigla CBR. O ensaio CBR, bem como o método CBR de dimensionamento de pavimentos, foi o primeiro ensaio desenvolvido para avaliação do subleito em estradas na Califórnia.
O dimensionamento de pavimentos de concreto simples é realizado utilizando a teoria das placas isótropas, onde a estrutura apoiada em um meio elástico que por simplificação é representado por um sistema de molas. Neste modelo simplificado, o solo responderia com uma reação aos esforços impostos sobre a placa e estaria condicionada ao deslocamento na superfície da placa. Dessa forma, a constante elástica é chamada de módulo de reação do subleito e ela está relacionada com a rigidez do sistema.
Winkler (1867) foi quem desenvolveu um modelo simplificado para calcular os esforços de reação de subleitos em fundações rasas, o qual é composto por molas que não transmitem esforços de cisalhamento entre si e com constante elástica idêntica. Dessa forma, a pressão de reação do subleito é medido pelo produto do deslocamento vertical sofrido (y) e a constante elástica da mola (k), conforme Equação 1.
Figura 1 – Pavimento de Concreto no Aeroporto de Madri. Fonte: Autor, 2020.
O dimensionamento de pavimentos de concreto simples é realizado utilizando a teoria das placas isótropas, onde a estrutura apoiada em um meio elástico que por simplificação é representado por molas que não transmitem esforços de cisalhamento entre si. Neste modelo simplificado, o solo responderia com uma reação aos esforços impostos sobre a placa e estaria condicionada ao deslocamento na superfície da placa. Dessa forma, a constante elástica é chamada de módulo de reação do subleito e ela está relacionada com a rigidez do sistema.
Em muitos métodos de dimensionamento de pavimentos de concreto, o empenamento térmico não é considerado nas análises para determinar as tensões críticas solicitadas por cada eixo. Os modelos de fadiga, utilizados para determinar o consumo de fadiga pela hipótese de Palmgren-Miner, utilizam a relação de tensões para avaliar a fadiga na estrutura. A relação de tensões é definida pelo quociente entre a tensão de tração solicitante pelo eixo em questão e a resistência a tração à flexão, sendo a última geralmente assumida nos métodos de dimensionamento como 4,5 MPa em 28 dias. O dimensionamento da PCA (1984) utiliza o método dos elementos finitos para análise de tensões e a vida útil da estrutura é definida pelo critério do consumo de fadiga. Neste método, além dos limites de utilização quanto ao módulo de elasticidade empregado, não são consideradas as tensões de empenamento térmico. Segundo Balbo (2009) a equação de fadiga utilizada pela PCA (1984) possui uma faixa de aplicação para relações de tensão variando de 0,55 a 0,45. Dessa forma, relações de tensão inferiores a 0,45 são consideradas como ilimitadas.
Para análise da influência do empenamento térmico e outros fatores que afetam o dimensionamento de estruturas de pavimentos de concreto, serão analisados algumas posições de carga em uma estrutura pré definida e seguindo algumas recomendações de outros autores para definição dos parâmetros dos materiais utilizados.
Contudo, os pavimentos são estruturas muito complexas e muitos conceitos ainda precisavam ser estudados e compreendidos para a melhoria dos métodos de dimensionamento. Então em 1951, nos Estados Unidos da América, foi planejado um grande estudo de pavimentação, através da análise de pistas experimentais que foram chamadas de pistas experimentais da AASHO – ou no original – AASHO Road Test. As pistas experimentais da AASHO tiveram um investimento de US$ 27 milhões e foram construídas entre agosto de 1956 e setembro de 1958, já o monitoramento dessas estruturas ocorreu entre outubro de 1958 e setembro de 1960. O grande foco de estudo nas pistas experimentais da AASHO era verificar o desempenho dos pavimentos e definir a ruptura dos pavimentos, através do conceito de serventia.
Figura 1 – Trem de Pouso Tandem Triplo. Fonte da Figura: Airway (2015)
Até os dias de hoje o ensaio CBR é um dos mais utilizados para caracterização do material de subleito ou de camadas granulares de pavimentos. O ensaio CBR consiste de uma comparação da pressão aplicada por um pistão padronizado para penetração em um material analisado e a pressão aplicada pelo mesmo pistão para penetração em um material padrão. A pressão é analisada para penetrações de 2,54mm e 5,08mm, conforme descrito no nosso artigo sobre o ensaio CBR.
O critério CBR foi criado pelo engenheiro Porter do California Division of Highway (CDH), considerado o primeiro método de dimensionamento de pavimentos flexíveis e obtido totalmente por uma base empírica.
No decorrer de um curso de graduação em engenharia civil o aluno passa por uma série de disciplinas para uma análise estrutural, a resistência dos materiais e a teoria das estruturas tornam-se rotineiras a partir do segundo ano da engenharia. Geralmente essas disciplinas focam mais em análises de vigas e pilares, sendo que outras estruturas ficam para um segundo plano e abordadas em disciplinas específicas.
Em algumas faculdades a disciplina de estradas é muito genérica e, com isso, não consegue apresentar todos os conceitos que envolvem a engenharia rodoviária ou, em um sentido mais amplo, a infraestrutura de transportes. Falta carga horária para uma abordagem ideal. Dessa forma, a área de pavimentação é pouco estudada em nível de graduação e, na maioria dos casos, o método de dimensionamento de pavimentos é apresentado sem a correta contextualização e sem detalhar suas limitações. Limitações estas tanto em níveis de carga quanto de previsão de desempenho.
