Dimensionamento e análise numérica de estruturas de pavimento asfáltico aeroportuário

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2017.O objetivo principal deste trabalho é dimensionar e avaliar o comportamento mecânico de estruturas de pavimento asfáltico aeroportuário. Neste contexto, a metodologia francesa foi escolhida para ser aplicada em função de apresentar cunho racional e estreita relação campo/laboratório. Esta metodologia destaca-se pela análise dos danos individuais e acumulados sofridos pela estrutura e também a variação do posicionamento transversal das aeronaves durante as operações de pousos e decolagens. Leva em conta os parâmetros mecânicos fundamentais dos materiais asfálticos, como o módulo de rigidez complexo e a fadiga, compreendendo a determinação dos esforços gerados em uma malha tridimensional, iterada a partir do método dos elementos finitos. O estudo de caso aborda o dimensionamento de uma das pistas do aeroporto regional do complexo intermodal que se pretende instalar no norte do Estado de Santa Catarina. Em cunho prático, foram realizados estudos para definição das aeronaves de dimensionamento, sondagens e ensaios geotécnicos para conhecimento e caracterização da plataforma de fundação incluindo ensaio triaxial para determinação do módulo de rigidez do solo e de caracterização da camada de transição em material granular, além da definição da temperatura equivalente e da utilização de estudos de misturas asfálticas já ensaiadas a partir da metodologia francesa no Brasil. São descritos os cálculos do dimensionamento, no âmbito das modelizações elástica e viscoelástica lineares, utilizando o modelo reológico de Huet-Sayegh e as ferramentas de cálculo Viscoanalyse e Viscoroute. Os resultados indicam a importância de se analisar corretamente, a distribuição das cargas aplicadas pelos trens de pouso nas estruturas dos pavimentos. As análises viscoelásticas lineares mostraram maior precisão à resposta dos materiais constituintes do pavimento quando comparadas às elásticas lineares, em razão de considerarem as funções de relaxação e fluência na aplicação dos esforços mecânicos às misturas asfálticas e permitirem a solicitação do pavimento a partir de carregamento dinâmico e não estacionário, acarretando modificações nas análises dos danos acumulados e nas espessuras dimensionadas.Abstract : The main aim of this research is to design and to evaluate the mechanical behavior of airfield pavement structures. In this context, French methodology was chosen to be applied in the proposed case study, due to present rational approach and close field/laboratory rate. With regard to the technical scope, the referred methodology is distinguished by its vanguard on the analysis of individual and cumulated damages supported by the asphalt materials and structural foundation platforms. The numerical simulations carried out take also into account the aircraft transversal sweep maneuvers during landing and take-off procedures, as well as the fundamental mechanical parameters of bituminous materials, such as stiffness modulus and fatigue, comprising the calculus of efforts generated in a tridimensional grid iterated by Finite Element Method. The case study approached in this research considers the design of a runway intended to be constructed in the regional intermodal complex of Santa Catarina, a State located in the southern of Brazil. They were also carried out traffic studies to define the designing aircrafts, geotechnical prospection and characterization of the platform foundation soil, including triaxial dynamic test to determine the stiffness modulus of its subgrade sample, and tests to characterize the coursed reinforcement layer. Besides, it was defined the equivalent temperature and considered the use of technical studies previously carried out with asphalt mixes in Brazil taking into account the French methodology scope. Detailed designing calculus are presented, with regard to the elastic and viscoelastic linear modeling, using Huet-Sayegh rheological model and computerized tools Viscoanalyse and Viscoroute. The results obtained indicate the importance of analyze suitably the loading distribution applied by the landing gears on the pavement structures, because not always the heaviest aircraft generates the major structural damages, as well as the viscoelastic linear analyzes present more accuracy to the response of the materials when compared to the elastic linear analyzes, due to consider relaxation and fluency functions in the application of the mechanical efforts on the asphalt mixes and to feasible dynamic loading simulations, instead of stationary, provoking changes in cumulated damage analyzes and in the thicknesses designed

Design parameters and associated quantitative damage analyses of an asphalt concrete airfield runway

Design parameters and evaluation of associated mechanical behavior of an airfield runway asphalt concrete pavement structure is reported. French aeronautical design methodology was taken as reference. Field and laboratory procedures were employed to determine constituent materials of the designed structure. Stationary linear elastic and dynamic viscoelastic numerical damage analyses were developed and compared, using computerized tools based on 3D Finite Element Methods. Results indicate that viscoelastic analyses provide more discriminating assessment of damage phenomena along the depth of pavement layers, and that landing gear geometric characteristics are more diagnostic than aircraft gross weight for cumulative damage propagation