Estudo das tensões e deflexões em pavimentos flexíveis devido à atuação de cargas dinâmicas dos veículos : uma análise numérica

Abstract

Resumo: Esta pesquisa tem por objetivo simular os efeitos das cargas dinâmicas de determinado veículo sobre uma seção de pavimento flexível em inúmeras condições de deslocamento (velocidade constante e variável) e de serviço (variação da rugosidade, inflação do pneu e declividade da pista). Foram feitas duas análises em elementos finitos 3D (software Ansys): uma dinâmica explícita e outra estática, as quais foram comparadas entre si. A seção do pavimento analisado é composta por três camadas: revestimento betuminoso, base de brita e sub-base de saibro, a qual foi identificada como representativa em vias de transporte coletivo na Cidade de Curitiba. As condições de contorno, por sua vez, simulam uma estrutura submetida ao carregamento dos ônibus empregados nas linhas Tipo alimentador em Curitiba e que, na classificação do DNIT, pertencem a classe 2CB (100 kN no eixo traseiro - ESRD). Os parâmetros do tráfego avaliados nesta pesquisa foram: a pressão de inflação do pneu (q = 0,72, 0,76, 0,83 e 0,86 MPa comumente empregados nos ônibus em Curitiba), a rugosidade da pista expressa em termos do coeficiente de atrito (? = 0,60, 0,68 e 0,87), a variação da velocidade (v = 20, 40 e 60 km/h), a declividade da pista (i=0, ± 6,±8 e ±11%), a aceleração (0-20, 0-40 e 0-60 km/h) e a frenagem do veículo (20-0, 40-0 e 60-0 km/h). Os principais resultados mostram que a inflação do pneu, de modo geral, não influenciou nos resultados avaliados. Já o aumento da velocidade de deslocamento do pneu resultou em uma redução na amplitude das deflexões na superfície da camada de revestimento se comparadas aos resultados obtidos do modelo estático. Em contrapartida, as tensões verticais (Sz), para as mesmas condições de velocidade e declividade, aumentaram. As tensões no topo do subleito, por sua vez, mostraram-se menores para o modelo estático em comparação ao modelo dinâmico, as quais foram ampliadas ainda mais com a inserção de trechos em aclive e declive. Em termos da rugosidade da pista, está mostrou-se influente apenas sobre os valores de tensão horizontal (Sx e Sy) e cisalhante (Sxy) tanto na presença como na ausência de declividade no pavimento, na aceleração e frenagem do pneu. Palavras-chave: Elementos finitos. Pavimento flexível. Aceleração e frenagem. Tensões horizontais e cisalhantes. Análise dinâmica.

Abstract: The objective of this study was to simulate the effects of the dynamic loads of a given vehicle on a flexible pavement section in a number of conditions (constant and variable speed) and service (variation of roughness, tire inflation and slope). Two analyzes were performed on 3D finite elements (Ansys software): an explicit dynamic and a static, which were compared. The section of the pavement analyzed is composed of three layers: bituminous road, gravel base and gravel sub-base, which was identified as representative in transportation avenues in the City of Curitiba. On its turn, the contour conditions simulate a structure submitted to the loading of the buses used in the Feeder Type lines in Curitiba and which, in the DNIT classification, belong to class 2CB (100 kN in the rear axle - ESRD). The traffic parameters evaluated in this research were: tire inflation pressure (q = 0.72, 0.76, 0.83 and 0.86 MPa commonly used in buses in Curitiba), the runway roughness expressed in terms of the coefficient of friction (? = 0.60, 0.68 and 0.87), the variation over speed (v = 20, 40 and 60 km / h), the slope of the runway (i = 0, ± 6, ± 8 and ± 11%), acceleration (0-20, 0-40 and 0-60 km / h) and braking of the vehicle (20-0, 40-0 and 60-0 km / h). The main results show that tire inflation, in general, did not influence the results evaluated. The increase in tire displacement velocity resulted in a reduction in the amplitude of the deflections at the surface of the coating layer compared to the results obtained from the static model. In contrast, the vertical stresses (Sz), for the same speed and slope conditions, increased. On its turn, the stresses at the top of the subgrade were smaller for the static model in comparison to the dynamic model, which were further extended with the insertion of slope. In terms of runway roughness, it was only influential on the horizontal (Sx and Sy) and shear (Sxy) values both with and without of slope in the pavement, in the acceleration and braking of the tire. Keywords: Finite elements. Flexible pavement. Acceleration and braking. Horizontal and shear stresses. Dynamic analysis.