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Revista rvore, Viosa-MG, v.35, n.3, p.539-545, 2011

Influncia do trfego de veculos comerciais em...

INFLUNCIA DO TRFEGO DE VECULOS COMERCIAIS EM RODOVIASVICINAIS NO PAVIMENTADAS: ESTUDO DE CASO APLICADO VCS 346,

VIOSA, MG1

Taciano Oliveira da Silva2, Carlos Alexandre Braz de Carvalho3, Dario Cardoso de Lima3, Maria LciaCalijuri3 e Carlos Cardoso Machado3

RESUMO Este artigo aborda a influncia da variao da carga por eixo e da presso de enchimento dospneus sobre as deflexes superficiais recuperveis previstas na estrutura de pavimento da estrada no pavimentadaVCS 346, considerada representativa da malha vicinal do Municpio de Viosa, MG. O programa de estudoconsiderou as seguintes anlises: (i) contagem volumtrica do trfego, inclusive de veculos comerciais dotipo 2C; (ii) deflexes recuperveis previstas, em funo dos dados disponveis no estudo; (iii) estrutura dopavimento, com dados referentes ao material das camadas. Com as anlises, observou-se que a aplicao denveis mais crticos de carregamento interferiu significativamente na vida til do pavimento e, dependendoda combinao da carga por eixo e da presso de enchimento dos pneus, a vida til da estrada pode sofrerreduo da ordem de 89%. Investigaram-se ainda, neste trabalho, dois mtodos para dimensionar a espessurado revestimento primrio para rodovias no pavimentadas. Um desses mtodos foi o emprico, qual seja, omtodo do DNIT para dimensionamento de pavimentos flexveis; e o outro foi fundamentado em teoria elsticapara sistemas de camadas. Para o dimensionamento de estradas no pavimentadas melhoradas com uma camadade revestimento primrio (sistema de duas camadas), concluiu-se que o procedimento mais adequado foi oemprego da teoria elstica.

Palavras-chave: Carga por eixo, Presso de enchimento dos pneus e Desempenho de pavimento.

INFLUENCE OF TRAFFIC OF COMMERCIAL VEHICLES IN UNPAVEDSECONDARY ROADS: A CASE STUDY APPLIED TO THE VCS 346, VIOSA, MG

ABSTRACT This paper approaches the influence of the variation of load per axle and tire pressure on therecoverable superficial deflections in a pavement structure of the VCS 346 unpaved road taken as representativeof the secondary road net of Viosa-MG, Brazil. The program of study considered the following analysis:(i) traffic volume counting including 2C type commercial vehicles; (ii) predicted recoverable superficial deflectionsin function of the available data from the study; (iii) structure of the pavement including data from the materialsof its layers. By the analyses, it was verified that the application of more critical loading levels affected significantlythe pavement serviceable life and depending on the combination of axle load and tire pressure, road pavementserviceable life could be reduced by 89%. In this study, it was also investigated the application of two methodsto measure sub-grade reinforcement layer thickness of unpaved roads. One of these two methods was empirical,the DNITs Flexible Pavement Design criteria and the other was based on elastic theory applied to a twolayer system. The use of the elastic theory was more adequate to measure unpaved roads improved with wearingcourses (two layer system) proved to be the best procedure for designing unpaved road systems.

Keywords:Axle load, Tire pressure and Pavement performance.

1 Recebido em 21.04.2009 e aceito para publicao em 14.04.2011.2 Universidade Federal de So Joo Del-Rei, UFSJ, Brasil. E-mail: 3 Universidade Federal de Viosa, UFV, Brasil. E-mails: , [email protected]>, e .

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SILVA, T.O. et. al.

1. INTRODUOAs estradas exercem importante papel no

desenvolvimento econmico e social de um pas. NoBrasil, o transporte rodovirio considerado a principalvia de integrao, fundamental no escoamento daproduo industrial e agrcola brasileira (TRINDADEet al., 2005). A malha rodoviria nacional apresentauma extenso da ordem de 1.725.000 km, comaproximadamente 10% pavimentados; desse total, 83%enquadram-se na categoria de rodovias municipais evicinais, dos quais 1,2% se encontra pavimentado(VELTEN et al., 2006).

O trfego comercial que solicita um pavimento o carregamento a ser considerado nos mtodos dedimensionamento, como destacou Balbo (2007), sejameles empricos, sejam mecansticos. Portanto, existe umaimportante necessidade de se padronizar o trfego, poisna realidade ele se apresenta de forma bastante complexa:veculos diferentes, cargas aleatrias, vrias configuraesde eixo e rodas, velocidades variveis etc. Por essesmotivos, usual representar o trfego total e a intensidadedas cargas transportadas por meio do nmero (N), querepresenta o nmero equivalente de operaes do eixo-padro de 8,2 t e expressa um trfego virtual que produzo mesmo efeito destrutivo do trfego real.

A partir de estudos desenvolvidos pela AASHTORoad Test, no final da dcada de 1950, determinou-seque um eixo simples de roda dupla com carga de 18.000 lbou 82 kN (8,2 tf) e 563 kPa (80 psi) de presso deenchimento dos pneus seria considerado eixo-padro.Os efeitos destrutivos de cargas quaisquer por eixosobre pavimentos podem ser atribudos,comparativamente, ao provocado por determinadonmero de passagens do eixo-padro. Pode-se tercorrelao de cada tipo de eixo ou conjunto de eixoscom o eixo-padro, por meio do Fator de Equivalnciade Cargas (FEC).

As maiores crticas ao clculo do nmero Nacontecem devido aos procedimentos empricos sobreos quais est fundamentada a determinao do FECexpresso em dano relativo configurao de um eixo-padro de 82 kN (TIMM; NEWCOMB, 2002). Os referidosautores comentaram que pesquisas desenvolvidas eminmeras pistas experimentais indicam que o FEC regido pelo tipo e espessura do pavimento, conjuntode eixos, valor da carga por eixo, presso de enchimentoe condies ambientais.

Um aspecto que merece destaque a definiode FEC para as vias vicinais brasileiras, que em geralno apresentam tratamento superficial especfico e soconstitudas apenas do solo local, sendo denominadasestradas de superfcie no tratada. Nesse caso, segundoYoder e Witczak (1975) o uso de material local paraa construo dessas vias a regra em vez da exceo.Portanto, comum o emprego de um revestimento primrionessas vias, constitudo de solo granular com espessurada ordem de 20 a 30 cm de material solto, do que resultauma espessura de 15 a 25 cm aps a compactao, deacordo com as especificaes tcnicas para revestimentoprimrio de alguns departamentos brasileiros de estradasde rodagem (DERs).

Tendo em vista a significativa amplitude da malhaviria no pavimentada do Brasil, que segundo a ANTT(2005) j alcana aproximadamente 1,45 milho dequilmetros de extenso, o estudo da influncia dotrfego comercial e a anlise para dimensionar espessurasde camadas de revestimento primrio para essas viasso relevantes, tendo em vista o papel que elasdesempenham conjuntamente com as rodoviaspavimentadas. Essas vias vicinais tm carter de viascapilares de circulao de bens de consumo (cargas),o que seguramente obriga que elas possuam condiesestruturais prximas das que atendem s solicitaesde trfego das vias pavimentadas.

Considerando os aspectos tcnicos das vias vicinaisbrasileiras no pavimentadas, o objetivo deste estudofoi analisar a influncia da variao dos fatores cargapor eixo e presso de enchimento dos pneus sobreas deflexes superficiais recuperveis, com base nateoria elstica aplicada a um sistema de duas camadaspara o pavimento de uma estrada vicinal no Municpiode Viosa, MG.

2. METODOLOGIA

2.1. Contagem volumtrica do trfego

A contagem volumtrica do trfego, inclusive deveculos de carga do tipo 2C, que so os nibus ecaminhes que possuem um eixo simples de rodas simples(ESRS) e um eixo simples de rodas duplas (ESRD), foiobtida, na forma direta, na estrada vicinal VCS 346,cuja extenso de aproximadamente 3,1 km, no Municpiode Viosa, MG. Essa estrada faz a ligao entre o campusda Universidade Federal de Viosa (UFV) e a rodoviafederal BR 120. Possui trfego leve, com menos de

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50 veculos comerciais por dia, que servem para transportede encomendas e entregas em Viosa ou no interiordo campus da UFV.

2.2. Deflexes recuperveis previstas

Para dada estrutura de pavimento, representativada malha viria no pavimentada do Municpio de Viosa,MG, e estrada vicinal no pavimentada VCS 346, foramprevistos valores de deflexes recuperveis. Em funodos dados disponveis no estudo, foi escolhida a deflexosuperficial como medida do desempenho do pavimento.Para tais fins, definiram-se trs nveis de carga poreixo, como a seguir:

- C1 = 82 kN (8,2 tf): carga correspondente ao eixo-padro de 18.000 lb, considerada baixa.

- C2 = 100 kN (10,0 tf): carga mxima permitida pelalegislao brasileira para eixo simples de rodas duplas,considerada normal.

- C3 = 120 kN (12,0 tf): carga 20% acima da mximapermitida, sendo 5% o limite de tolerncia legal.Adotou-se carga 20% acima da permitida para mostraros danos nas estradas quando h excesso de carganos eixos dos veculos comerciais.

Da mesma forma, foram utilizados trs nveis depresso de enchimento dos pneus, que foram escolhidosde acordo com Albano (2005) e recomendaes contidasem catlogos de fabricantes de pneus, quais sejam:

- P1 = 563 kPa (80 psi): presso-padro utilizada napista experimental da AASHTO e normalizada paradeterminao da deflexo, conforme o ME 24/94 doDNER (DNER, 1994), que tem sido adotada em diversosmtodos de dimensionamento de pavimentos.

- P2 = 633 kPa (90 psi): presso considerada mdia.

- P3 = 703 kPa (100 psi): presso considerada alta, deacordo com estudo de Albano (2005) sobre efeitos dosexcessos de carga sobre a durabilidade de pavimentos.

Todos os valores de deflexo recupervel Dij foramdivididos por Dpp, que a medida da deflexo em 0,01 mmdecorrente da combinao dos nveis-padro dos fatorescarga por eixo de 82,0 kN e presso de enchimentode 563 kPa (80 psi). Os quocientes das referidas divisesforam elevados potncia de 5,959, de acordo coma equao 1, apresentada por Pereira (1992), obtendo-seos FEC emprico-mecansticos correspondentes sdeterminaes do estudo.

Como parmetro para comparao com a variaodos FEC emprico-mecansticos, calculou-se outro

conjunto de valores de FEC utilizando a relao .

elevada ao expoente mdio de 4,298, apresentado porPereira (1992), oriundo do experimento da AASHTOpara cargas por eixo de 80 a 120 kN, conforme apresentadona Tabela 5.

2.3. Tenses verticais na superfcie do subleito

Realizou-se ainda um estudo das tenses verticaisatuantes na superfcie do subleito. Para a estruturae os parmetros de deformabilidade contidos nas Tabelas1 e 2 e carregamentos apresentados na Tabela 3 foramobtidas as tenses verticais na superfcie do subleito,por meio do programa computacional ELSYM5, cujosvalores se encontram reproduzidos na Tabela 8. Calculou-sea tenso vertical admissvel no subleito pela equao 2,estabelecida em 1962 por Heukelom e Klomp.

em que tenso vertical admissvel no topo dosubleito, MR mdulo de resilincia do subleito emkgf/cm2 e N o nmero de aplicaes de carga.

2.4. Estrutura do pavimento

A estrutura do pavimento da estrada vicinal VCS346 est descriminada na Tabela 1.

Os dados referentes aos materiais das camadasda estrutura do pavimento da estrada vicinal VCS 346so apresentados na Tabela 2.

Os mdulos de resilincia (Mr) contidos na Tabela 2foram estimados por meio da equao 3, de Heukelone Klomp (19624) apud (PINTO; PREUSSLER, 2001).

Camada Material Espessura (cm)Revestimento Saibro 20,0

primrioSubleito ArgissoloVermelho-Amarelo Semi-infinita

de comportamento latertico

Tabela 1 Estrutura do pavimento da estrada vicinal VCS346.

Table 1 Pavement structure of the secondary road VCS 346.

(2)

(1)

Amaro Gabriel JoaquimSticky Note



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SILVA, T.O. et. al.

Mr = 100.CBR (3)

em que: Mr = Mdulo de resilincia (kgf/cm2).

Os coeficientes de Poisson foram fixados de acordocom os valores apresentados por Balbo (2007).

Os valores das deflexes superficiais para adeterminao dos FEC emprico-mecansticos foramobtidos por meio da utilizao do programacomputacional ELSYM5. O referido programacomputacional utilizado para o clculo de tenses,deformaes e deslocamentos em sistemas de camadaselstico-lineares.

3. RESULTADOS E DISCUSSO

3.1. Nmero N para a rodovia vicinal VCS 346

Considerando uma taxa anual de crescimento linearde trfego t = 3%, um perodo de projeto P = 5 anose o fator climtico regional (FR) de 1,4, para alturamdia anual de chuva entre 800 e 1.500 mm, de acordocom Seno (1997), fundamentado na precipitao mdiaanual de 1.221 mm para a regio de Viosa, MG,encontrou-se um valor de operaes equivalentesdo eixo-padro.

3.2. Deflexo recupervel como resposta estrutural

Neste estudo so apresentados valores de deflexesrecuperveis, determinadas pelo programa computacionalELSYM5, em situaes tpicas de carregamento, conformemostrado na Tabela 3.

4 HEUKELOM, W.; KLOMP, A. J. G. Dynamic testing as a mens of controlling pavements during and after construction. Proceedings...1 Intern. Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements Ann Arbor, University Michigan, 1962.

Camada Coeficiente Mdulo de CBR*(%)de Poisson() resilincia (Mr)

(kgf/cm2)Revestimento 0,40 1.000 10PrimrioSubleito 0,45 600 6

* Os valores de CBR foram obtidos em ensaios de laboratrio naenergia de compactao do Proctor normal, tanto para o subleitoquanto para a camada de revestimento primrio.

Tabela 2 Dados relativos ao material das camadas do pavimentoanalisado.

Table 2 Data from the material of the layers of the analyzed pavement.

Presso de enchimento kPa (PSI)563 (80) 633 (90) 703 (100)

Fator de Equivalncia de Carga (FEC)82 1,000 2,296 4,733

100 1,017 2,296 4,878120 1,031 2,379 5,027

Carga poreixo (kN)

Tabela 5 Valores de FEC emprico-mecansticos da AASHTO,segundo Pereira (1992).

Table 5 AASHTO mechanistic-empirical LEFs values accordingto Pereira (1992.

Presso de enchimento kPa (PSI)563 (80) 633 (90) 703 (100)

Fator de Equivalncia de Carga (FEC)82 1,000 3,166 8,632

100 1,024 3,166 9,000120 1,043 3,326 9,382

Carga poreixo (kN)

Tabela 4 Valores de FEC emprico-mecansticos calculados.Table 4 Calculated values of the mechanistic-empirical

LEFs.

Carga por eixo (kN)82 100 120

Deflexes recuperveis (0,01 mm)563 (80) 98,90 120,00 142,00633 (90) 99,30 120,00 143,00

703 (100) 99,60 121,00 144,00

Presso deenchimentokPa (PSI)

Tabela 3 Valores de deflexes superficiais recuperveisprevistas no topo do subleito, em funo da cargapor eixo e presso de enchimento.

Table 3 Values of recoverable superficial deflections in the sub-grade top in function of the the axle load and tire pressure.

3.3. Relaes entre deflexes recuperveis

Na Tabela 4 so apresentados os valores de FECpara cada combinao dos nveis de carga por eixoe presso de enchimento dos pneus.

A Tabela 5 apresenta outro conjunto de valores

de FEC utilizando a relao elevada ao expoente

mdio de 4,298, apresentado por Pereira (1992), oriundodo experimento da AASHTO para cargas por eixo de80 a 120 kN.

543



De acordo com Albano (2005), o parmetro FECtem sido largamente utilizado como medida dedesempenho de pavimentos flexveis porque,comparativamente, mede os efeitos que os excessosde carga por eixo provocam nessas estruturas. Nasduas situaes apresentadas nas Tabelas 4 e 5, observa-seque, quanto maior o nvel da carga por eixo e da pressode enchimento dos pneus, mais representativo o efeitodestrutivo, com deflexes recuperveis, no pavimento.

Relacionando a deflexo recupervel a partir dosFEC com a vida do pavimento, nas Tabelas 6 e 7 mostrado o desempenho do pavimento com base naevoluo dos FEC e na reduo da vida til. As previsesde reduo da vida til da estrutura do pavimento (%)para os casos em estudo foram determinadas pelaequao 4.

em que RVU (%) a previso de reduo da vida tilda estrutura do pavimento, em porcentagem; FECpp o fator de equivalncia de cargas referente ao eixo-padro; e FECij o fator de equivalncia de cargasreferente a um eixo qualquer.

Na Tabela 7, apresenta-se um resumo da reduode vida til prevista para a estrutura do pavimentoestudado, considerando os valores dos FECemprico-mecansticos calculados com o expoentemdio 4,298 utilizado pela AASHTO, de acordocom Pereira (1992).

Adotou-se a variao do FEC como medida depreviso de vida til da estrutura do pavimento. Ametodologia desta anlise est embasada nasconsideraes apresentadas por Albano (2005).

Considerando os FEC emprico-mecansticoscalculados, com o expoente b = 5,959 na equao 2,conforme apresentado na Tabela 6, ao se passar deum N igual 2,55 x 105 operaes da carga por eixo-padro (carga por eixo igual a 82 kN e presso deenchimento dos pneus igual a 533 kPa) para um Ncalculado com 100 kN de carga por eixo e pressode enchimento dos pneus igual a 633 kPa (90 psi),a reduo da vida til prevista para o pavimento foida ordem de 68,41%. Do ponto de vista terico, avida til do pavimento diminuiria para 3,42 anos. Amesma anlise aplicada para os demais valores dosfatores de equivalncia de carga (FEC) apresentadosna Tabela 7.

3.4. Tenses verticais na superfcie do subleito

Aplicando a equao 2, para um valor de mdulode resilincia de 600 kgf/cm2 obtido pela equao 3e para um valor de N igual a 2,55 x 105 solicitaesdo eixo-padro, obteve-se um valor de tenso verticaladmissvel ( ) no topo do subleito de 78,3 kPa.

A Tabela 8 apresenta valores de tenses verticaisna superfcie do subleito, obtidos por meio do programacomputacional ELSYM5.

Condies de Presso de Tenso verticalcarregamento enchimento kPa no topo do

(kN/eixo) (psi) subleito (kPa)82 kN (Padro) 563 (80) 167

100 kN (Mxima) 633 (90) 200120 kN (Excesso) 703 (100) 235

Tabela 8 Valores das tenses verticais previstas no topodo subleito para espessura da melhoria do subleitode 0,20 m em funo do carregamento.

Table 8 Values of vertical stress predicted on the subgradetop for a 0.2 m sub-grade improvement layer, infunction of the load.

Condies de Presso de FEC Reduocarregamento enchimento kPa (AASHTO) da vida

(kN/eixo) (psi) til (%)82 kN (Padro) 563 (80) 1,000 0,00

100 kN (Mxima) 633 (90) 2.296 56,45120 kN (Excesso) 703 (100) 5,027 80,11

Tabela 7 Evoluo dos FEC emprico-mecansticos da AASHTOsegundo Pereira (1992) e reduo da vida til dopavimento.

Table 7 Evolution of the AASHTO mechanistic-empiricalLEFs values according to Pereira (1992) and reductionof the pavement serviceable life.

Condies de Presso de FEC Reduocarregamento enchimento kPa (Calculado) da vida

(kN/eixo) (psi) til (%)82 kN (Padro) 563 (80) 1,000 0,00

100 kN (Mxima) 633 (90) 3,166 68,41120 kN (Excesso) 703 (100) 9,382 89,34

Tabela 6 Evoluo dos FEC emprico-mecansticos calculadose reduo da vida til do pavimento.

Table 6 Evolution of mechanistic-empirical calculatedLEFs and reduction of pavement serviceable life.

(4)

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SILVA, T.O. et. al.

Analisando os valores da tenso vertical no topodo subleito apresentados na Tabela 8, observou-seque todos os valores superaram a tenso verticaladmissvel. Isso evidncia que a espessura dorevestimento primrio com a rigidez que lhe foi conferida insuficiente para suportar a carga do trfego. Outraanlise que ainda se realizou consistiu em determinarqual deveria ser a rigidez da camada do revestimentoprimrio para atender tenso vertical admissvel notopo do subleito, preservando-se a sua espessura de20 cm e determinando-se o mdulo de elasticidade de7.500 kgf/cm2 para a referida camada. Esse um valordifcil de ser alcanado, salvo o emprego de tcnicasde estabilizao qumica de solos, por exemplo.

A Tabela 9 contm os resultados das tenses verticaisno topo do subleito para uma espessura da camadado revestimento primrio de 40 cm.

Analisando os resultados da Tabela 9, observou-seque, com o aumento da espessura da camada derevestimento primrio, as tenses verticais no topodo subleito reduziram consideravelmente. No eixo-padro,a tenso vertical prevista no topo do subleito foi menordo que a tenso admissvel. Nos demais carregamentos,as tenses verticais superaram a admissvel.

Se fosse utilizado o mtodo emprico do DNIT(2006) para o dimensionamento de pavimentos flexveis,levando-se em conta os valores CBR contidos na Tabela 2e um N = 2,55.105 operaes equivalentes do eixo-padro,a espessura requerida para proteger o subleito quantos deformaes plsticas excessivas seria de 42 cm.Nesse dimensionamento, considerou-se o material dorevestimento primrio como granular de coeficientede equivalncia estrutural igual a 1. Assim, por essemtodo, se a rigidez da camada do revestimentoaumentasse, a sua espessura no sofreria alterao.

4. CONCLUSES

Na anlise da determinao do FEC (DNIT, 2006)para eixo simples de rodas duplas em funo das deflexesrecuperveis, concluiu-se que o conhecimento docarregamento por eixo e da presso de enchimentodos pneus da frota comercial que utiliza a via nopavimentada representa, com mais evidncia, a realidadedas solicitaes da estrutura do pavimento do quesimplesmente empregar informaes sobre o volumemdio dirio de trfego misto.

Quanto ao dimensionamento da espessura da camadade revestimento primrio (estrutura com duas camadas),tendo em vista os parmetros de rigidez e deformabilidadeadotados para a estrutura e carregamentos apresentadosnas Tabelas 1 e 2, verificou-se que:

Quando se emprega o mtodo emprico do DNIT(2006) para dimensionamento de pavimentos flexveis,sendo a camada do revestimento primrio granular,a sua espessura fica condicionada rigidez do subleito.Se o suporte do revestimento primrio aumentar, nohaver alterao na espessura da referida camada, poisela no deixar de ser granular, salvo alteraes emsua estrutura via tcnicas de estabilizao qumica desolos ou mistura de outros materiais capazes de modificara sua resistncia trao.

Pela teoria elstica, se houver ganhos de rigidezdo revestimento primrio, por exemplo, por meio doaumento da energia de compactao, a sua espessuratender a diminuir, devido reduo da tenso verticalno topo do subleito. Assim, esse mtodo parece maisadequado para a finalidade pretendida.

5. AGRADECIMENTOS

Fundao de Amparo Pesquisa do Estadoda Bahia (FAPESB), pela concesso da bolsa depesquisa ao primeiro autor; e ao Departamento deEngenharia Civil da Universidade Federal de Viosa(DEC/UFV), pelo suporte computacional para a anlisedos dados.

6. REFERNCIAS

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Condies de Presso de Tenso verticalcarregamento enchimento kPa no topo do

(kN/eixo) (psi) subleito (kPa)82 kN (Padro) 563 (80) 69

100 kN (Mxima) 633 (90) 84120 kN (Excesso) 703 (100) 100

Tabela 9 Valores das tenses verticais previstas no topodo subleito para espessura da melhoria do subleitode 0,40 m em funo do carregamento.

Table 9 Values of vertical stress predicted on the subgradetop for a 0.4 m sub-grade improvement layer, infunction of the load.


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