Integração de clima e espectro de cargas no dimensionamento de pavimentos flexíveis

Abstract

O desempenho de pavimentos flexíveis é fortemente influenciado por fatores climáticos e pelas distribuições das cargas tráfego. No entanto, os métodos de dimensionamento convencionais empregam simplificações que dificultam a análise de cenários específicos, como o impacto de alterações na legislação de limites de carga por eixo. Assim, o objetivo dessa tese é propor um método para a avaliação dos impactos de sobrecarga nas rodovias brasileiras, considerando os parâmetros climáticos e espectros de cargas reais. O método proposto, com auxílio do AASHTOWare Pavement ME Design (APMED), foi capaz de considerar intervalos de cargas menores, permitindo a avaliação da variação dos defeitos estruturais (deformação permanente e trincamento por fadiga) e funcionais (irregularidade longitudinal), considerando diferentes climas. Utilizando o APMED, foi avaliado o impacto das variáveis climáticas no estado do Rio Grande do Sul, demonstrando que a velocidade do vento medida causa variações significativas nos defeitos no mesmo estado. Além disso, o nível de detalhamento utilizado para o clima pode subestimar em até 26% do dano por fadiga quando considerado médias anuais ao invés dos dados horários. Embora as variações dos defeitos calculados através do espectro detalhado e dos fatores de equivalência (número N) foram elevadas, a utilização de agrupamentos de dados de pesagem teve diferenças pequenas para fadiga (7%) e deformação permanente das camadas superiores apenas uma variação maior para a deformação do subleito (-13,5%), demonstrandose uma alternativa viável para locais sem dados de pesagem disponíveis. Os impactos de sobrecarga avaliados mostraram um aumento médio de 14,5% de dano por fadiga e redução de vida útil média de 12% para fadiga e deformação permanente. No pior cenário, a diminuição da vida útil atingiu 51% para o afundamento de trilha de rodas. Por último, uma sessão amostral de rodovia foi calibrada para o método AASHTO, apresentando resultados promissores. Através do método proposto, a utilização de um nível de detalhamento do espectro de cargas considerando cinco faixas para análises manteve um erro menor que 5%, demonstrando ser um nível aceitável para análises convencionais.

The performance of flexible pavements is strongly influenced by climatic factors and traffic load distributions. However, design methods require simplifications due to the complexity of these factors. These simplifications hinder certain analyses, such as assessing the impact of changes in axle load limit regulations. Thus, the objective of this thesis is to propose a method for evaluating the impacts of overweight vehicles on Brazilian highways, considering climatic parameters and real load spectra. The proposed method, with the aid of AASHTOWare Pavement ME Design (APMED), was able to consider smaller load intervals, enabling the evaluation of variations in structural defects (rut depth and fatigue cracking) and functional defects (longitudinal irregularity) under different climates. Using APMED, the impact of climatic variables in the state of Rio Grande do Sul was evaluated, demonstrating that measured wind speed can cause significant variations in permanent deformation within the same state. Furthermore, the level of detail used for climate data can underestimate fatigue damage by up to 26% when considering annual averages instead of hourly data. Through the proposed method, using a load spectrum detail level with five bands for analysis maintained an error of less than 5%, proving to be an acceptable level for conventional analyses. Although the variations in calculated distresses between the detailed spectrum and equivalency factors (ESAL) were high, the use of clustered weight data showed small differences for fatigue (7%) and rut depth in the upper layers, with a larger variation only for subgrade deformation (- 13.5%). This demonstrates it is a viable alternative for locations without available weight data. The evaluated overloading impacts showed an average increase of 14.5% in fatigue damage and an average service life reduction of 12% for both fatigue and permanent deformation. In the worst-case scenario, the service life reduction reached 51% for rutting. Finally, a sample highway section was calibrated for the AASHTO method, showing promising results.