defensa final diseño de pavimento rigido
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VIAS Y CARRETERAS II | Ing. Ricardo Var
DISEÑO DE PAVIMENTO RIGIDO
ContenidoRESUMEN.................................................................................................................. 3
OBETIVOS................................................................................................................. 3
O!"#$i%o G#n#ra&...................................................................................................3
O!"#$i%os Es'#c()cos...........................................................................................4
A*CANCE................................................................................................................... 4
INTRODUCCI+N A *OS PAVIMENTOS R,GIDOS.....................................................4
DE-INICI+N............................................................................................................ 4
a S/! rasan$#.......................................................................................................5
! S/!0!as#........................................................................................................... 5
c *osa.................................................................................................................... 6
-ACTORES DE DISEÑO.......................................................................................... 6
TR1NSITO.................................................................................................................. 7
TR1NSITO MEDIO DIARIO ANUA*2......................................................................9
C*ASI-ICACI+N DE *OS VE3,CU*OS2.................................................................9
TASA DE CRECIMIENTO........................................................................................9
PROYECCI+N DE* TR1NSITO...............................................................................9
MODE*OS DE CRECIMIENTO..............................................................................10
-ACTOR DE CRECIMIENTO..................................................................................10
TR1NSITO E4UIVA*ENTE...................................................................................13
-ACTORES E4UIVA*ENTES DE CARGA 5*E-...................................................13
-ACTOR DE CAMI+N............................................................................................14
PERIODO DE DISEÑO............................................................................................. 14
DESVIACION ESTANDAR........................................................................................ 15
INDICE DE SERVICIO..............................................................................................16
MODU*O DE E*ASTICIDAD DE* 3ORMIGON.......................................................18
COE-ICIENTE DE TRANSMICION DE CARGAS EN *AS UNTAS..........................20
GRADO DE CON-IABI*IDAD..................................................................................22
COE-ICIENTE DE DRENAE.................................................................................... 24
Ca&idad d#& dr#na"#............................................................................................ 24
E6'osici7n a &a sa$/raci7n................................................................................24
MODU*O DE REACCION DE *A SUB RASANTE....................................................25
EEMP*O USANDO E* M8TODO AAST3O.............................................................28
DETERMINACI+N DE* TR1NSITO E4UIVA*ENTE.............................................29
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C1*CU*O DE* TR1NSITO E4UIVA*ENTE ACUMU*ADO..................................32
DE-INICION Y TIPO DE UNTAS......................................................................... 35
DISEÑO DE PASA UNTAS................................................................................... 37
BIB*IOGRA-IA.........................................................................................................38
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DISEÑO DE PAVIMENTO RIGIDO
RESUMEN
El método de diseño AASHTO, originalmente conocido como AASHO, fue
desarrollado en los Estados Unidos en la década de los 60, basándose en un ensayo
a escala real realiado durante ! años en el estado de "llinois, con el fin de
desarrollar tablas, gráficos y f#rmulas $ue re%resenten las relaciones deterioro&
solicitaci#n de las distintas secciones ensayadas'
A %artir de la (ersi#n del año )*+6, y su corres%ondiente (ersi#n meorada de )**-,
el método AASHTO comen# a introducir conce%tos mecanicistas %ara adecuar
algunos %arámetros a condiciones diferentes a las $ue im%eraron en el lugar del
ensayo original'
Se .a elegido el método AASHTO, %or$ue a diferencia de otros métodos, éste
método introduce el conce%to de ser(iciabilidad en el diseño de %a(imentos como
una medida de su ca%acidad %ara brindar una su%erficie lisa y sua(e al usuario'
En este trabao de in(estigaci#n se desarrollará en forma concisa los conce%tos
básicos sobre %a(imentos r/gidos, %ara tener una idea general de los ti%os de
%a(imentos, as/ como de los %rinci%ales elementos $ue conforman el %a(imento de
concreto como son sub base, losa de concreto, untas, selladores, ti%os de
%a(imento, etc' Asimismo, se describirá bre(emente cada uno de los factores o
%arámetros necesarios %ara el diseño de %a(imentos r/gidos seg1n el método
AASHTO *-'
OBETIVOSO!"#$i%o G#n#ra&
El 2iseño de 3a(imentos tiene %or finalidad analiar y cuantificar los factores
%resentes o futuros en una carretera sean internos o e4ternos a la misma,
%ara establecer los %arámetros y caracter/sticas de un %a(imento efica y
eficiente'
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5os factores e4ternos re%resentan (ariables relacionadas con los (ol1menes
y com%osici#n del tránsito, los materiales de construcci#n, condiciones
climáticas' 5os factores internos están re%resentados %or la calidad de la sub
rasante, los materiales e4istentes en la (/a y de los terrenos atra(esados o
afectados %or las obras' Un diseño de %a(imentos se com%one de (arias
fases em%eando %or las in(estigaciones de la sub rasante, la calidad de los
materiales de construcci#n y bancos, ensayos de laboratorio, escogencia del
método de diseño'2e esta manera el %resente trabao de in(estigaci#n contem%la la
metodolog/a necesaria y suficiente %ara realiar de manera ordenada y
sistemática las (ariables $ue inter(ienen en el diseño de 3a(imento /gido'
O!"#$i%os Es'#c()cos
7ue el %resente trabao se constituya en una .erramienta %ara meorar y
estandariar los ni(eles de conocimiento'
Sir(a como gu/a con res%ecto a los %rocesos $ue se deben re(isar del
estudio, y criterios a considerar en un diseño de %a(imento r/gido'
7ue contenga metodolog/a a seguir %ara una re(isi#n integral, de las
fases y %rocesos del estudio e informe res%ecti(o'
A*CANCE
Análisis de las (ariables de diseño y materiales de construcci#n %ara definir la
estructura de %a(imento r/gido'
INTRODUCCI+N A *OS PAVIMENTOS R,GIDOS DE-INICI+N
Un %a(imento de concreto o %a(imento r/gido consiste básicamente en una losa de
concreto sim%le o armado, a%oyada directamente sobre una base o sub base' 5a losa,
debido a su rigide y alto m#dulo de elasticidad, absorbe gran %arte de los esfueros
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$ue se eercen sobre el %a(imento lo $ue %roduce una buena distribuci#n de las cargas
de rueda, dando como resultado tensiones muy baas en la sub rasante' Todo lo
contrario sucede en los %a(imentos fle4ibles, $ue al tener menor rigide, transmiten los
esfueros .acia las ca%as inferiores lo cual trae como consecuencia mayores tensiones
en la sub rasante, como se %uede a%reciar en la figura )')'
5os elementos $ue conforman un %a(imento r/gido son sub rasante, sub base y la losa
de concreto' A continuaci#n se .ará una bre(e descri%ci#n de cada uno de los
elementos $ue conforman el %a(imento r/gido'
a S/! rasan$#
5a sub rasante es el so%orte natural, %re%arado y com%actado, en la cual se %uede
construir un %a(imento' 5a funci#n de la sub rasante es dar un a%oyo raonablemente
uniforme, sin cambios bruscos en el (alor so%orte, es decir, muc.o más im%ortante es$ue la sub rasante brinde un a%oyo estable a $ue tenga una alta ca%acidad de so%orte'
3or lo tanto, se debe tener muc.o cuidado con la e4%ansi#n de suelos'
! S/!0!as#
5a ca%a de sub base es la %orci#n de la estructura del %a(imento r/gido, $ue se
encuentra entre la sub rasante y la losa r/gida' 8onsiste de una o más ca%as com%actas
de material granular o estabiliado9 la funci#n %rinci%al de la sub base es %re(enir el
bombeo de los suelos de granos finos' 5a sub base es obligatoria cuando la
combinaci#n de suelos, agua, y tráfico %ueden generar el bombeo' Tales condiciones se
%resentan con frecuencia en el diseño de %a(imentos %ara (/as %rinci%ales y de tránsito
%esado'
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c *osa
5a losa es de concreto de cemento %ortland' El factor m/nimo de cemento debe
determinarse en base a ensayos de laboratorio y %or e4%eriencia %re(ias de resistencia
y durabilidad' Se deberá usar concreto con aire incor%orado donde sea necesario%ro%orcionar resistencia al deterioro su%erficial debido al .ielo&des.ielo, a las sales o
%ara meorar la trabaabilidad de la mecla'
-ACTORES DE DISEÑO
El diseño del %a(imento r/gido in(olucra el análisis de di(ersos factores tráfico, drenae,
clima, caracter/sticas de los suelos, ca%acidad de transferencia de carga, ni(el deser(iciabilidad deseado, y el grado de confiabilidad al $ue se desea efectuar el diseño
acorde con el grado de im%ortancia de la carretera' Todos estos factores son necesarios
%ara %redecir un com%ortamiento confiable de la estructura del %a(imento y e(itar $ue
el daño del %a(imento alcance el ni(el de cola%so durante su (ida en ser(icio'
5a ecuaci#n fundamental AASHTO %ara el diseño de %a(imentos r/gidos es
2onde
W18 = :1mero de cargas de )+ ;i%s
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ZR = Es el (alor de >
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en su formulaci#n el n1mero de re%eticiones es%eradas de carga de Ees E$ui(alentes,
es decir, $ue antes de entrar a las f#rmulas de diseño, debemos transformar los Ees de
3esos :ormales de los (e./culos $ue circulan %or el camino, en Ees Sencillos
E$ui(alentes de )+ ;i%s
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B :1mero de carriles %or sentido de tráfico'
B 3orcentae del tránsito sobre el carril más solicitado'
B Cndice de ser(iciabilidad'
B Dactores de e$ui(alencia de carga'
TR1NSITO MEDIO DIARIO ANUA*2
El T?2A re%resenta el %romedio aritmético de los (ol1menes diarios de tránsito
aforados durante un año, en forma diferenciada %ara cada ti%o de (e./culo'
C*ASI-ICACI+N DE *OS VE3,CU*OS2
Autom#(iles y camionetas
uses
8amiones de dos ees
8amiones de más de dos ees
emol$ues
Semi remol$ues
TASA DE CRECIMIENTO
e%resenta el crecimiento %romedio anual del T?2A' Feneralmente las tasas
de crecimiento son diferentes %ara cada ti%o de (e./culo'
PROYECCI+N DE* TR1NSITO
El tránsito %uede %royectarse en el tiem%o en forma aritmética con un
crecimiento constante o e4%onencial mediante incrementos anuales'
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MODE*OS DE CRECIMIENTO
En el gráfico se obser(a $ue la %royecci#n aritmética su%one un crecimiento
más rá%ido en el corto %lao y se subestima el tránsito en el largo %lao'
En base a las estad/sticas es con(eniente definir $ue cur(a se austa meor altránsito generado %or una carretera'
-ACTOR DE CRECIMIENTO
Una forma sencilla de encontrar el factor de crecimiento es ado%tar una tasa de
crecimiento anual y utiliar el %romedio del tráfico al %rinci%io y al final del
%eriodo de diseño
2onde
r G tasa de crecimiento anual en decimales
3 G %eriodo de diseño en años'
5a Asociaci#n del 8emento 3ortland utilia el tráfico a la mitad del %eriodo dediseño
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5a AASHTO recomienda calcular el factor de crecimiento %ara el tráfico de todo
el %eriodo de diseño
5os (alores del factor de crecimiento %ara diferentes tasas anuales y %eriodos
de diseño se muestran en la tabla siguiente, de acuerdo al criterio de la
AASHTO
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TR1NSITO E4UIVA*ENTE
5os resultados obtenidos %or la AASHTO en sus tramos de %rueba mostraron
$ue el daño $ue %roducen distintas configuraciones de ees y cargas, %uede
re%resentarse %or un n1mero e$ui(alente de %asadas de un ee sim%le %atr#nde rueda doble de )+ ;i%s
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5os factores e$ui(alentes de carga de la AASHTO están tabulados en funci#n
de cuatro %arámetros ti%o de ee %a(imento
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Feneralmente el %eriodo de diseño será mayor al de la (ida 1til del %a(imento, %or$ue
incluye en el análisis al menos una re.abilitaci#n o recrecimiento, %or lo tanto éste será
su%erior a !0 años' 5os %eriodos de diseño recomendados %or la AASHTO se muestran
en la tabla "N')'
DESVIACION ESTANDAR
5a des(iaci#n normal estándar (Zr) define $ue, %ara un conunto de (ariables
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INDICE DE SERVICIO
Se define el Cndice de Ser(iciabilidad como la condici#n necesaria de un %a(imento
%ara %ro(eer a los usuarios un maneo seguro y confortable en un determinado
momento' "nicialmente esta condici#n se cuantific# a tra(és de la o%ini#n de los
conductores, cuyas res%uestas se tabulaban en la escala de K a )
El /ndice de ser(iciabilidad inicial (Po) es la condici#n $ue tiene un %a(imento
inmediatamente des%ués de la construcci#n del mismo, %ara su elecci#n es necesario
considerar los métodos de construcci#n, ya $ue de esto de%ende la calidad del
%a(imento'
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Usando buenas técnicas de construcci#n, el %a(imento de concreto %uede tener una
ser(iciabilidad 3o G I'L # I'+'
En la Digura -'! se %uede obser(ar $ue mientras meor se construya inicialmente un
%a(imento, o bien, mientras meor /ndice de ser(iciabilidad inicial tenga mayor será su(ida 1til'
El /ndice de ser(iciabilidad final (Pt) tiene $ue (er con la calificaci#n $ue es%eramos
tenga el %a(imento al final de su (ida 1til, o bien, el (alor más bao $ue %ueda ser
admitido, antes de $ue sea necesario efectuar una re.abilitaci#n, un refuero o la
reconstrucci#n del %a(imento'
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5a diferencia entre ambos /ndices es ΔPSI= Po – Pt, $ue se define como %érdida de
ser(iciabilidad'
MODU*O DE E*ASTICIDAD DE* 3ORMIGON
El m#dulo de elasticidad del concreto (Ec) está relacionado con su m#dulo de ru%tura y
se determina mediante la norma AST? 8I6*' En su defecto correlacionarlo con otras
caracter/sticas del material como %uede ser su resistencia a la com%resi#n (f´c). Esto
es
2ebido a $ue los %a(imentos de concreto trabaan %rinci%almente a fle4i#n es
recomendable $ue su es%ecificaci#n de resistencia sea acorde con ello, %or eso el
diseño considera resistencia del concreto trabaando a fle4i#n, $ue se conoce como
resistencia a la fle4i#n %or tensi#n
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AASHTO %ermite utiliar la resistencia a la fle4i#n %romedio $ue se .aya obtenido del
resultado de ensayos a fle4i#n de las meclas diseñadas %ara cum%lir la resistencia
es%ecificada del %royecto'
5os (alores t/%icos utiliados %ara la d#&'%c #&t*d%r son
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COE-ICIENTE DE TRANSMICION DE CARGAS EN *AS UNTAS
También se conoce como coeficiente de transmisi#n de carga (J) y es la ca%acidad $ue
tiene una losa del %a(imento de transmitir las fueras cortantes con sus losasadyacentes, con el obeti(o de minimiar las deformaciones y los esfueros en la
estructura del %a(imento' ?ientras meor sea la transferencia de cargas, meor será el
com%ortamiento de las losa del %a(imento'
5a efecti(idad de la transferencia de carga entre las losas adyacentes de%ende de
(arios factores
• 8antidad de tráfico• Utiliaci#n de %asa untas• So%orte lateral de las losas
5a utiliaci#n de %asa untas es la manera más con(eniente de lograr la efecti(idad en
la transferencia de cargas, %or lo $ue se recomienda su utiliaci#n cuando
• El tráfico %esado sea mayor al !KM del tráfico total'• El n1mero de ees e$ui(alentes de diseño sea mayor de K'0 millones de ESA5s'
Esta transferencia de cargas se realia a tra(és de los e4tremos de las losas
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En la siguiente tabla se muestran los (alores del coeficiente de transmisi#n de carga
en funci#n de estos %arámetros
El coeficiente de transmisi#n de carga considera el esfuero de transferencia a tra(és
de la unta o grieta como se obser(a en las siguientes figuras'
So$ort# "%t#r%" es el confinamiento $ue %roduce el so%orte lateral y contribuye a
reducir los esfueros má4imos $ue se generan en el concreto %or efecto de las cargas'
Un %a(imento de concreto %uede considerarse "%t#r%"+#t# &o$ort%do cuando tenga
algunas de las siguientes caracter/sticas en su secci#n
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5as $%&% !t%& son -%rr%& d# %c#ro r#dodo "&o con un fy G I,!00;g@cm!, la cual
no se debe ad.erir al concreto %ermitiendo el libre mo(imiento de las losas
longitudinalmente, %ero si debe de transferir (erticalmente %arte de la carga a%licada
en una losa adyacente' Se colocan %erfectamente alineadas a la mitad del es%esor de
la losa'
E4isten formas te#ricas %ara estimar diámetros y longitudes de %asa untas, sin
embargo, es com1n em%lear criterios %rácticos %ara su diseño' 5a Tabla -'!0 muestra
algunos (alores recomendados a manera de gu/a'
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GRADO DE CON-IABI*IDAD5os factores estad/sticos $ue influyen en el com%ortamiento de los %a(imentos son
• 8onfiabilidad • 2es(iaci#n estándar
5a confiabilidad está definida como la %robabilidad de $ue el sistema de %a(imento se
com%orte de manera satisfactoria durante su (ida 1til en condiciones adecuadas %ara
su o%eraci#n' Otra manera de inter%retar este conce%to ser/a a$uélla $ue la%robabilidad de $ue los %roblemas de deformaci#n y resistencia estén %or debao de
los %ermisibles durante la (ida de diseño del %a(imento'
En la Tabla -')! se obser(a la confiabilidad recomendada en funci#n del ti%o de
camino
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5a confiabilidad %uede relacionarse con un Dactor de Seguridad y (a asociada con la
des(iaci#n estándar (So) # también llamado error estándar' Este 1ltimo re%resenta el
n1mero de ees $ue %uede so%ortar el %a(imento .asta $ue su /ndice de
ser(iciabilidad descienda %or debao de un determinado /ndice de ser(icio final (Pt)
5a des(iaci#n estándar (So) relacionada con la confiabilidad (R) se muestra a
continuaci#n
COE-ICIENTE DE DRENAE
En cual$uier ti%o de %a(imento, el drenae es un factor im%ortante en elcom%ortamiento de la estructura del %a(imento a lo largo de su (ida 1til y %or lo tanto
en el diseño del mismo' Se %uede e(aluar mediante el coeficiente de drenae (Cd) el
cual de%ende de
Ca&idad d#& dr#na"#.
Niene determinado %or el tiem%o $ue tarda el agua infiltrada en ser e(acuada de
la estructura del %a(imento'
E6'osici7n a &a sa$/raci7n.
3orcentae de tiem%o durante el año en $ue un %a(imento está e4%uesto a
ni(eles de .umedad $ue se a%ro4iman a la saturaci#n' Este (alor de%ende de la
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%reci%itaci#n media anual y de las condiciones del drenae' 3ara el caso se
definen (arias condiciones del drenae
8ombinando todas las (ariables $ue inter(iene %ara llegar a determinar el coeficientede drenae 8d, se llega a los (alores de la siguiente Tabla
Es im%ortante e(itar $ue e4ista %resencia de agua, dado $ue en caso de %resentarse
afectará en gran medida a la res%uesta estructural del %a(imento' El agua atra%ada
%uede %roducir efectos noci(os como
•
educci#n de la resistencia de materiales granulares'• educci#n de la resistencia de la sub rasante'• E4%ulsi#n de finos'• 5e(antamientos diferenciales de suelos e4%ansi(os'• E4%ansi#n %or congelamiento del suelo'
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MODU*O DE REACCION DE *A SUB RASANTE
5a resistencia a la sub rasante se obtiene mediante el m#dulo de reacci#n del suelo
(K) %or medio de la %rueba de %laca'
El m#dulo de reacci#n del suelo corres%onde a la ca%acidad %ortante $ue tiene el
terreno natural en donde se so%ortará el cuer%o del %a(imento'
El (alor del m#dulo de reacci#n se %uede obtener directamente del terreno mediante la
%rueba de %laca AST? 2))*K 2))*6
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EEMP*O USANDO E* M8TODO AAST3O
El n1mero total de ees e$ui(alentes se obtiene a %artir del resultado del aforo del
tránsito'
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El (olumen de tránsito real
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El coeficiente de distribuci#n se obtiene seg1n la siguiente tabla y de acuerdo al
n1mero de carriles $ue se esté diseñando'
egresando a la Tabla -')6, el n1mero de ees e$ui(alentes
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C1*CU*O DE* TR1NSITO E4UIVA*ENTE ACUMU*ADO
El tránsito acumulado de ees e$ui(alentes de +'!ton durante un %eriodo de n años de
ser(icio se calcula mediante el em%leo de la siguiente ecuaci#n
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En la siguiente tabla se concentran los datos calculados de las diferentes (ariables
%ara %oder entrar al nomograma y obtener el es%esor de la losa'
2ebao de cada escala del nomograma se indica el dato de cada (ariable'
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El es%esor del %a(imento obtenido es de )0 %ulgadas
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DISEÑO DE PAVIMENTO RIGIDO
DE-INICION Y TIPO DE UNTAS
2ebido a los cambios (olumétricos $ue %or su naturalea e4%erimenta el concreto y a
los sistemas constructi(os de los %a(imentos r/gidos, se .ace necesaria la
construcci#n de untas y@o uniones entre %años o losas de un %a(imento'
5a funci#n de las untas consiste en
• ?antener las tensiones $ue se desarrollan en la estructura de un %a(imento
dentro de los (alores admisibles del concreto o disi%ar tensiones debidas a
agrietamientos inducidos debao de las mismas untas'• 8ontrola el agrietamiento trans(ersal y longitudinal'• 2i(ide al %a(imento en secciones adecuadas %or efecto de las cargas de
tránsito'• 3ermite la transferencia de cargas entre losas'
5os ti%os de untas más comunes en los %a(imentos r/gidos caen dentro de dos
clasificaciones trans(ersales y longitudinales $ue a su (e se clasifican como de
contracci#n, construcci#n y de e4%ansi#n'
5as untas se %ueden clasificar seg1n el siguiente cuadro'
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VIAS Y CARRETERAS II | Ing. Ricardo Var
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5as untas longitudinales se utilian %ara tender franas nue(as de la losa sobre
tendidos ya e4istentes, mientras $ue las untas trans(ersales se utilian %ara controlar
el agrietamiento trans(ersal'
En la siguiente tabla se muestran los ti%os más comunes de untas y sus funciones%rinci%ales'
Un %a(imento %odrá diseñarse con o sin untas, ello estará en funci#n del ti%o de
estructura deseada, el ti%o de tránsito y de las condiciones ambientales' En general se
recomienda el em%leo de %asa untas %ara tránsitos intensos y %esados'
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El factor Q re%resenta la cantidad de transferencia de carga $ue se es%era a lo largo de
la unta %ara un %eriodo de diseño %articular del %a(imento'
5as untas son muy im%ortantes en la duraci#n de la estructura, siendo una de las
%autas %ara calificar la bondad de un %a(imento' En consecuencia la conser(aci#n yo%ortuna re%araci#n de las fallas en las untas son decisi(as %ara la (ida de ser(icio de
un %a(imento'
DISEÑO DE PASA UNTAS
5as %asa untas son barras de acero liso y redondo colocadas trans(ersalmente a las
untas %ara transferir las cargas del tráfico sin restringir los mo(imientos .oriontales
de las untas' Además mantienen a las losas alineadas .oriontal y (erticalmente'
5as %asa untas reducen las defle4iones y los esfueros en las losas de concreto, as/
como el %otencial de diferencias de ele(aci#n en las untas, bombeo
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BIB*IOGRA-IA
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