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Título: Análise quasi-estática e dinâmica de pavimentos asfálticos
Título em inglês: Quasi-static and dinamic analyses of asphalt pavements
Autor(es): Evangelista Junior, Francisco
Orientador(es): Soares, Jorge Barbosa
Palavras-chave: Engenharia de transportes
Método dos Elementos Finitos
Data do documento: Ago-2006
Citação: EVANGELISTA JUNIOR, F. (2006)
Resumo: O presente trabalho apresenta a formulação e implementação de um algoritmo para a solução da equação de equilíbrio dinâmico em meios viscoelásticos lineares com base no Método da Aceleração Média Constante da família de algoritmos de Newmark. O algoritmo foi implementado em um código utilizando o MEF, bem como conceitos de Programação Orientada a Objetos (POO). Apesar da utilização da formulação aqui apresentada ser relativa a análises de pavimentos asfálticos, a mesma formulação pode ser usada para quaisquer tipos de estrutura,geometria e condições de contorno devido à flexibilidade do MEF e a generalização da implementação obtida pelo uso da Orientação a Objetos. O presente estudo principalmente mostra a importância da consideração das forças inerciais (análises dinâmicas) na análise de tensões e deformações de pavimentos asfálticos. Os resultados das simulações das análises dinâmicas foram comparados com os resultados de análises quasi-estáticas (análise no tempo sem a consideração de forças inerciais). As simulações realizadas forneceram informações sobre três parâmetros usados no projeto de pavimentos: (i) deslocamentos verticais no topo da camada superficial asfáltica (dv); (ii) tensão de tração no fundo da camada superficial asfáltica (σxx) e (iii) tensão de compressão (σyy) no topo do subleito. As simulações mostraram a influência, não somente da consideração dinâmica nas análises, mas também do comportamento constitutivo da camada de revestimento (elástico ou viscoelástico), duração do pulso de carregamento e tipo de mistura (CBUQ ou AAUQ). Análises fatoriais permitiram mostrar que nas considerações de análises realizadas atualmente para fins de projeto, onde o revestimento é assumidamente elástico, as forças inerciais são negligenciadas e os carregamentos são estáticos, podem muitas vezes ser não conservadoras. Os resultados encontrados para a tensão de tração no fundo do revestimento (σxx), onde a não consideração de certos aspectos, tais como a viscoelasticidade da camada de revestimento bem como sua interação com outros fatores, pode mudar a predição destas tensões significativamente para as considerações de projeto. Desta forma, a definição dos parâmetros estruturais importantes para o projeto de pavimentos deve ser melhor discutida, pois durações de carregamento mais longas (velocidade menor do veículo) afetam dv, enquanto pulsos de duração mais curta (velocidade maior do veículo) afetam sobremaneira σxx. Análises considerando a passagem múltipla dos diversos eixos da configuração completa de veículos mostraram que não existe a superposição temporal dos efeitos da passagem de uma roda de cada eixo para pulsos de duração maiores que 0,008s na resposta estrutural de pavimentos, mesmo sob a consideração viscoelástica e/ou dinâmica. No presente trabalhos também foram desenvolvidos métodos alternativos para a regressão e interconversão de funções viscoelásticas. Os algoritmos propostos utilizam princípios de otimização, de forma que, a minimização dos erros para a função requerida é obtida eficientemente.
Abstract: This works presents the formulation of an algorithm for the solution of the dynamic equilibrium equation for viscoelastic media. The algorithm is based on the Average Acceleration Method which belongs to the Newmark algorithm family. The formulation was implemented in a code using the Finite Element Method (FEM) and Object Oriented Programming (OOP). Although the formulation used herein is applied to asphalt pavements, it can be used for any type of structure, geometry and boundary conditions due to the flexibility of the FEM and generalization introduced through the OOP. This study shows, mainly, the importance of considering inertial forces (dynamic analyses) in stress and strain analysis of asphalt pavements. The numerical simulations compare the quasi-static and dynamic responses for two types of mixtures (Hot Mix Asphalt and Sand Asphalt); two constitutive models for these materials (elastic and viscoelastic), and various pulse loads. The results give some information about the main parameters used in pavement design: (i) vertical displacements at the top of surface (asphalt) layer (dv); (ii) tensile stress at the bottom of the surface layer (σxx), and (iii) compression stress (σyy) at the top of subgrade. Factorial analyses showed that, for current pavement design procedures which assume an elastic surface layer, static loads without inertial forces, may lead to non-conservative predictions. As an example, the results of the tensile stress at the top of the surface layer (σxx), show that the interaction of the asphalt layer viscoelastic behavior with other factors may conduct to significantly relative differences in that stress predictions. Thus, the structural assumptions needs to be more discussed for design purposes, since longer pulse loads (lower vehicle speeds) increase dv, while shorter pulse loads (higher vehicles speeds) increase σxx. Analyses considering the temporally passage of multiple wheels, for the gears of some vehicle configurations, showed no temporal superposition of the effects of multiple loads (pulses longer than 0.008s) in the structural responses considered herein even considering viscoelastic and/or dynamic analyses. Alternative methodologies for the curve fitting and interconversition of viscoelastic functions are also presented. The proposed algorithms use optimization concepts to minimize the errors in the calculation of the required function.
Descrição: EVANGELISTA JUNIOR, F. Análise quasi-estática e dinâmica de pavimentos asfálticos. 2006. 104 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Transportes) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2006.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/4887
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