diseño pavimento rigido

20 y 21 de Marzo de 2012

JORNADAS DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS DE HORMIGÓN

DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOSIng. Diego H. Calo

DNV Distrito VI - San Salvador de Jujuy

INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

ÍNDICE DE LA PRESENTACIÓN2


Componentes Principales del Sistema

Junta Longitudinal

Junta Transversal

Subrasante

Subbase o base

Espesor

Pasadores

Calzada de Hormigón

Barras de Unión

3


FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS

Fisuración Longitudinal / TransversalDescripción: Fisuras con orientación

longitudinal o transversal al eje del

pavimento.

Causas posibles:

• Fisuración por fatiga: espesor de calzada

insuficiente y/o separación de juntas

excesiva.

• Reflexión de juntas o fisuras de capas

inferiores o losas contiguas.

• Pérdida de soporte por erosión (T).

• Asentamientos diferenciales (L).

4


5

Tensiones en Pavimentos Rígidos

Datos:

• Espesor: 25 cm.

• Largo: 4,50 m.

• Ancho: 3,65 m.

• ∆T: 0ºC.

• k: 150 MPa/m

• Eje simple 100 KN


6


Datos:

• Espesor: 25 cm.

• Largo: 4,50 m.

• Ancho: 3,65 m.

• ∆T: 0ºC.

• Eje simple 100 kNK: 50 MPa/m

K: 100 MPa/m

K: 150 MPa/m


7Influencia de la Rigidez de apoyo en

las tensiones generadas

Esubbase = ∞∞∞∞

Esubbase = 0

Esubbase = ∞∞∞∞

Esubbase = 0

Caso 1: Fundación Perfectamente Rígida

Caso 2: Fundación Muy Flexible

Debido a la rigidez de la fundación, la carga no genera deflexiones ni tensiones en la losa.

Durante una carga medioambiental, la fundación no acompaña la deformación de la losa y se genera pérdida de apoyo.

Debido a la falta de soporte la losa deflecta significativamente y se generan elevadas tensiones de flexión.

Durante una carga medioambiental, la fundación acompaña la deformación de la losa manteniendo su soporte.


8


Datos:

• Espesor: 25 cm.

• Largo: 4,50 m.

• Ancho: 3,65 m.

• ∆T: 10ºC.

• E: 35 GPa.

• CET: 1,10 10-5 1/ºCK: 50 MPa/m

K: 100 MPa/m

K: 150 MPa/m


9

Descripción: Movimiento del agua (con

material en suspensión) ubicada debajo de la

losa o su eyección hacia la superficie como

resultado de la presión generada por la acción

de las cargas.

Causas (deben coexistir):

• Material fino capaz de entrar en suspensión

(arenas finas y limos).

• Disponibilidad de agua en las capas inferiores

del pavimento.

• Deflexiones excesivas en bordes y esquinas.


Erosión por Bombeo y Escalonamiento


10

Carga

AguaBase / Subbase

Losa anterior Losa posterior




11

Carga

Base / Subbase





12

Base / Subbase


Carga




13

Carga

Base / Subbase





14

Carga

Base / Subrasante


Escalonamiento



Acumulación de finosErosión de material


15

Tránsito

Escalonamiento Inicial Banq. Externa

Juntas TransversalesJunta Longitud.

Banq. Externa

Incremento del escalonamiento

Banq. Externa

3ER ETAPA

2DA ETAPA

1ER ETAPA

Eyección de Finos

Eyección de Finos

Fisuración Transversal




16

¿Cuándo es necesario una subbase ?

Existe riesgo de erosión por bombeo cuando

se presentan en forma simultánea las

siguientes condiciones:

– Repeticiones reiteradas de cargaspesadas (camiones) capaces degenerar deflexiones importantes enjuntas y bordes de la calzada dehormigón.

– Disponibilidad de agua en la interfaselosa – subbase – banquina.

– Una subrasante compuesta porsuelos finos o capaces de entrar ensuspensión.

Cuando en un pavimento determinado se prevea la eventual coexistencia de estos factores

el EMPLEO DE UNA SUBBASE NO EROSIONABLE ES DE CARÁCTER OBLIGATORIO.

Material Fino ó Erosionable

Tránsito Pesado

Agua Disponible

E


17

Subbases granulares

Requisitos generales• Espesor mínimo: 10 cm.• Tamaño máximo < 1/3 del espesor.• P200 < 15%.• Desgaste Los Angeles < 50%.

El criterio principal para emplear una subbase granular en un pavimento de hormigón es el de limitar el contenido de finos que pasan el Tamiz #200.

Recomendaciones:• No emplear espesores mayores de 15 cm.• Deberá especificarse una densidad mínima del 98% del T-180.

Si el material cuenta con excesivos contenidos de finos, la capa puede almacenar agua encontrándose disponible para la erosión por bombeo


18

Subbases tratadas con cementoCaracterísticas (ACPA):

• Espesor mínimo: 10 cm.

• Tipo de suelo recomendado para tránsito pesado:

A1, A2-4, A2-5 y A3 (ACPA).

• Tamaño máximo: 75 mm.

• Durabilidad por congelamiento – deshielo y

humedecimiento – secado.

• Contenidos de Cemento: de 2% a 5%.

• Resistencia a compresión: de 2,1 a 5,5 MPa.

• Resistencia a Flexión: de 0,7 MPa a 1,4 MPa.

• Módulo de elasticidad: 600.000 a 1.000.000 psi

(de 4100 a 6900 MPa).

• Romper la adherencia con emulsión asfáltica, film

de polietileno o dos capas de membrana en base

a parafina.


19

Subbases de Hormigón PobreRequisitos:

• Espesor mínimo: 10 cm.

• Resistencia a compresión de 5 MPa a 8 MPa.

• Contenido de cemento de 120 a 200 kg/m3.

• Contenido de aire de 6 a 8%.

• Tamaño máximo hasta de 25 a 50 mm.

• Tolerancias: ± 6 mm en la regla de 3 m.

• Pueden ser densas o drenantes (Hº poroso).

Recomendaciones constructivas:

• En general no suele especificarse la ejecución de

juntas en la subbase de hormigón pobre.

• Una terminación lisa es conveniente (menor

fricción).

• Se recomienda romper la adherencia con la

calzada mediante un film de polietileno.Subbase de Hormigón Poroso


20

Deformaciones en Pavimentos Rígidos

Datos:

• Espesor: 25 cm.

• Largo: 4,50 m.

• Ancho: 3,65 m.

• ∆T: 0ºC.

• k: 150 MPa/m

• Eje simple 100 KNCarga Interna - Dzmax: 0,144 mm (100%) Carga en Borde - Dzmax: 0,26 mm (180%)

Carga en Junta - Dzmax: 0,389 mm (270%) Carga en Esquina - Dzmax: 0,646 mm (450%)


21

Con cordón integral, si el cordón se ejecuta en una

segunda etapa, no hay contribución estructural

TRANSFERENCIA DE CARGA

D2 = 0

D1 = x

Mala Transferencia de Carga

• Trabazón entre agregados

• Pasadores

• Banquina de hormigón

– Banquina Vinculada

– Cordón Cuneta

– Sobreancho de Carril

Es la capacidad de una losa de transferir su carga a una losa vecina

D1 = X/2 D2 = X/2

Buena Transferencia de Carga

Tienen un efecto similar


22

Transferencia de Carga en Juntas Transversales

Trabazón entre agregados por debajo del aserrado primario


23Transferencia de Carga en Bordes de

Calzada


24

Sobreancho de Calzada

Datos:

• Espesor: 25 cm.

• Largo: 4,50 m.

• Ancho: 4,25 m.

• ∆T: 0ºC.

• CET: 1,10 10-5 1/ºC

• k: 150 MPa/m.

• Eje Simple: 100 KN

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

0 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75

Distancia al Borde, m

Ten

sion

es M

áxim

as (

Fon

do d

e Lo

sa),

MP

a

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

Def

orm

ació

n M

áxim

a, m

m

Tensiones - Carga en Borde

Deformaciones - Carga en Esquina


25

Influencia de la transferencia de Carga

Carga Interna - Dzmax: 0,134 mm (100%) En Esquina sin sob y sin pas - Dzmax: 0,506 mm (377%)

Datos:

• Espesor: 25 cm.

• Largo: 4,50 m.

• Ancho: 4,25 m.

• ∆T: 0ºC.

• E: 35 Gpa.

• k: 150 MPa/m.

• Eje Simple: 100 KN En Esquina sin sob y con pas - Dzmax: 0,350 mm (260%)


26

Influencia de la transferencia de Carga

Carga Interna - Dzmax: 0,134 mm (100%) En Esquina con sob y sin pas - Dzmax: 0,295 mm (220%)

Datos:

• Espesor: 25 cm.

• Largo: 4,50 m.

• Ancho: 4,25 m.

• ∆T: 0ºC.

• E: 35 Gpa.

• k: 150 MPa/m.

• Eje Simple: 100 KN En Esquina con sob y con pas - Dzmax: 0,216 mm (160%)


27

Método de la Portland CementAssociation

• Procedimiento Empírico- Mecanicista basado en

respuestas de pavimentos matemáticamente

calculadas.

• Calibrado con Ensayos de campo y rutas en servicio.

• Lanzado originalmente en 1966 y revisado en 1984.

• Limita las tensiones desarrolladas en el Pavimento

(Criterio de verificación por fatiga). Limitante para

bajo tránsito pesado.

• Limita las deflexiones desarrolladas en bordes y esquinas (Criterio de

verificación por erosión). Limitante para elevado tránsito pesado.

• Recientemente el ACPA ha lanzado una nueva versión para vías de Bajo Volumen

de Tránsito Pesado (ACPA StreetPave).


28

Ubicación Crítica de Cargas

Posición crítica de la carga paralas Tensiones de Flexión

Banquina de Hormigón(si existe)

Carril

Junta transversal

EjeTándem

Posición crítica de la carga paralas Deformaciones

Banquina de Hormigón(si existe)

Carril

Junta transversal

EjeTándem


29

Factores involucrados en el diseño

• Capacidad soporte de la subrasante (k subrasante).

• Tipo y espesor de Subbase (k combinado).

• Propiedades mecánicas del hormigón.

• Período de diseño.

• Tránsito. Configuración de cargas por eje.

• Transferencia de cargas en juntas transversales (pasadores / trabazón entre agregados).

• Transferencia de carga en bordes (Tipo de banquina / sobreanchos de calzada).

• Factor de seguridad de cargas. Siempre incorporar el valor medio o más

probable


30

METODO AASHTO 1993AASHO Road Test (1958 -1960)

• Tercer ensayo a gran escala en pavimentos.

• Se evaluaron secciones de pavimento rígido y flexible.

• Se evaluaron distintas configuraciones de carga, espesores de calzada y subbase.

• Se estudiaron secciones de pavimentos de hormigón simple y reforzado.

• Objetivo central: desarrollar relaciones entre cargas de tránsito pesado aplicadas, estructura del pavimento y pérdida de Serviciabilidad.


Circuitos de Ensayo AASHO


Procedimiento AASHTO y susmodificaciones

1961-62 AASHO Interim Guide for the Design of Rigid and Flexible Pavements

1972 AASHTO Interim Guide for the Design of Pavement Structures - 1972

1981 Revised Chapter III on Portland Cement Concrete Pavement Design

1986 Guide for the Design of Pavement Structures

1993 Revised Overlay Design Procedures

1998 Allowed for seasonal adjustments in k-value


( )

+

LogPSI

4.5 - 1.5

1 +1.624 *10

D

7

+

∆

18 46.

Log(W18) Z *s +7.35 *Log(D +1) -0.06R o=

Variable Z (Conf:R) Desvío Estándar Global Espesor

Cambio de Serviciabilidad

( )+ 4.22 - 0.32pt

*

( )

Log

215.63*J * D -18.42

E /k

0.75

c

0 25.

ServiciabilidadFinal [ ]S' C D 1.132c d

0.75 −* *

Coeficientede drenaje

Transferenciade Carga

Módulo deRotura

Módulo de elasticidad

Modulo de reacción

Ecuación de Diseño de Pavimentos de Hormigón 1986-93


34

• Serviciabilidad Inicial (po).• Serviciabilidad final (pt).• Período de diseño• Tránsito en ejes equivalentes (W18)• Factor de transferencia de carga (J)• Módulo de rotura del Hormigón (MR)• Módulo de elasticidad del Hormigón ( Ec)• Módulo de reacción de la subrasante (k, LOS)• Coeficiente de drenaje (Cd)• Confiabilidad (R, ZR).• Desvío Global (so).

METODO AASHTO 1993Factores involucrados en el diseño

Siempre incorporar el valor medio o más

probable


35

Transferencia de Carga - Efecto de pasadores y Banquina de Hormigón

• La transferencia de carga en las juntas y bordes de calzada se tiene encuenta mediante el Factor de Transferencia de Carga, J.

• Depende del tipo de pavimento, de las condiciones de soporte debordes y de la transferencia de carga en juntas.

ESAL´s [Millones]

Soporte de Borde

JPCP y JRCP (c-pas) JPCP (s-pas)

NO SI NO SI

< 0,3 3,2 2,7 3,2 2,8

0,3 a 1 3,2 2,7 3,4 3,0

1 a 3 3,2 2,7 3,6 3,1

3 a 10 3,2 2,7 3,8 3,2

10 a 30 3,2 2,7 4,1 3,4

> 30 3,2 2,7 4,3 3,6

Fuente: WinPAS Manual - Simplified Design Guide.


36

Propiedades de la Subrasante /Subbase

• Módulo resiliente subrasante (Mr)

• Tipo de Subbase (E)• Espesor de Subbase

Pérdida de Soporte

Módulo de reacción Combinado (kc)

Propiedades de la subrasante y Subbase asociadas al diseño son:


37

Propiedades de la Subrasante /Subbase

Pérdida de soporte

• La Pérdida de soporte tiene en cuenta la erosión de la subbase y subrasante.

• Mediante este factor se reduce el valor k debido a la esperada por la erosión de la subrasante.

• Una pérdida de soporte de 0 considera la condición del suelo en el ensayo AASHO.

• Este valor se sitúa entre 0 y 3.A excepción que se prevea

una resistencia a la erosión inferior a la condición de la prueba AASHO,

adoptar LOS = 0


38

LIMITACIONES DEL MÉTODO AASHTO ACTUAL

Una zona climática / 2 años Un tipo de subrasante

Limitadas secciones

de estudio

Limitadas repeticiones de carga


39

MEPDGCLAVES QUE POSIBILITARON EL CAMBIO

• Los fundamentos técnicosdesarrollados en las últimas 3 décadasa través de las distintasinvestigaciones llevadas a cabo enpavimento permitieron el desarrollo deun procedimiento de base mecanicista.

• La disponibilidad de informaciónrelativa a performance a largo plazorecabada en pavimentos en servicio(LTPP) que permitió la calibración yvalidación de dichos modelos.

• La velocidad de los procesadoresactuales y la capacidad dealmacenamiento de las computadorasmodernas.


40

Diseño a Evaluar

DatosSuelos Materiales Tránsito Clima

Respuestas Estructurales (σ, ε, δ)

Modelos de Predicción de comportamientoFallas Rugosidad

Verificación del ComportamientoCriterio de falla

ConfiabilidadNO

SI

Diseño Final

REV

ISA

R D

ISEÑ

O

Cumple Requisito

de Diseño?


EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSºFISURACIÓN POR FATIGA

Tensiones Críticas

CARGA SOBRE BORDE EXTERNO Y ALABEO

CONVEXO(situación diurna).

Tensiones Críticas

CARGA SOBRE JUNTAS Y ALABEO CÓNCAVO (Situación

Nocturna)

41


EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSºESCALONAMIENTOS DE JUNTAS

• Máximas deflexiones en esquinas (POSICIÓN CRÍTICA).

• Concentración de tensiones en interfase losa-apoyo.

• Disponibilidad de agua por debajo de la losa.

• Finos disponibles para entrar en suspensión (EROSIONABILIDAD)

42


EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº RUGOSIDAD

Se determina a partir de:

• IRI inicial de construcción

• Evolución de deterioros (fisuración, escalonamiento, etc)

• Condiciones climáticas.

No existe un modelo de deterioro que prediga la evolución de la rugosidad

43


EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSºVERIFICACIÓN

El diseño propuesto será verificado con el criterio de verificación para cada tipo de falla.

Fisuración

(Máximo permitido)

De 10% a 45%

Escalonamiento

(Máximo permitido)

De 2,5mm a 5,0mm

Rugosidad

(Máximo permitido)

De 2,5 m/km a 4,0m/km

44


45MEPDG - SOFTWARE

• Período de diseño, Tipo de Pavimento, fecha de Construcción e inauguración.

• Umbrales de deterioro, Confiabilidad, Rugosidad Inicial.

• Volumen inicial de vehículos pesados y crecimiento.Distribución mensual y horaria de cada tipo devehículo

• Distribución de cargas para cada tipo de vehículo ytipo de eje.

• Ubicación respecto a la línea demarcatoria (Media,So), Ancho de carril, Configuración de ejes para cadacategoría, distancias típicas entre ejes y ruedas,presión de inflado, etc.

• Selección de estación climática.

• Espesor de calzada, separación de juntas, tipo desellado, configuración de pasadores, tipo deBanquinas, ancho de losa, características físicas ymecánicas, etc.

• Tipo de Base, Características mecánicas, Resistenciaa la erosión.

• Características físicas y mecánicas de las capasrestantes y subrasante.


MEPDG - SOFTWARE

Predicted Cracking

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

Pavement age, years

Per

cent

sla

bs c

rack

ed, %

Percent slabs cracked

Cracked at specified reliability

Limit percent slabs cracked

46


¿QUE FACTORES PUEDEN ANALIZARSE?

COEFICIENTE DE DILATACIÓN TÉRMICA

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25

Edad, años

Losa

s F

isur

adas

, %

CTE = 13 x 10-6 1/ºC

CTE = 12 x 10-6 1/ºC

CTE = 11 x 10-6 1/ºC

CTE = 10 x 10-6 1/ºC

CTE = 9 x 10-6 1/ºC

47


SEPARACIÓN DE JUNTAS TRANSVERSALES

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25

Edad, años

Losa

s F

isur

adas

, %

S = 5,50 m

S = 5,25 m

S = 5,00 m

S = 4,75 m

S = 4,50 m

48


MÓDULO DE ELASTICIDAD DEL HORMIGÓN

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25Edad, años

Losa

s F

isur

adas

, %

E = 38 GPa

E = 36 GPa

E = 34 GPa

E = 32 GPa

E = 30 GPa

49


TRANSFERENCIA DE CARGADIÁMETRO DE PASADORES

0

1

2

3

4

5

6

7

0 5 10 15 20 25

Edad, años

Esc

alon

amie

nto,

mm

Sin Pasadores

Pasadores 25 mm

Pasadores 32 mm

Pasadores 38 mm

Pasadores 32 mm c-sob

50


TRANSFERENCIA DE CARGA EN BORDES Y JUNTAS

0

1

2

3

4

5

6

7

0 5 10 15 20 25

Edad, años

Esc

alon

amie

nto,

mm

Sin Pasadores

Sin Pasadores c-Sob

Pasadores 32 mm

Pasadores 32 mm c-sob

51


52

• Método de diseño de pavimentosde hormigón basado en el métodode la Portland CementAssociation (1984).

• Se había desarrolladooriginalmente como un nuevosoftware bajo Windows quereemplazara el PCAPAV

ACPA StreetPave

• Se recomienda aplicarlo para el diseño de arterias con bajos volúmenes detránsito pesado.

• Se consideró que algunos aspectos del método anterior llevaban asoluciones muy conservadoras, por lo cuál fue extensivamente revisado.

• Se conservaron ambos criterios de verificación, aunque eliminando aquellosfactores que se consideró que generaban un sobre-dimensionamiento.


53

MODELO DE FATIGA (PCA)


54

MODELO DE FATIGA (ACPA)

0

2

4

6

8

10

12

14

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Relación de Tensiones

Num

ero

de a

plic

acio

nes

adm

isib

les,

Log

N

PCA

S = 95%

S = 90%

S = 80%

S = 70%

S = 60%

S = 50%

( ) 217.024.10

0112.0log

)log(

⋅−=− SSR

Nf


55

• Valor soporte de los suelos de subrasante.• Tipos, espesores y Módulos de las distintas capas (kc).• Propiedades mecánicas del hormigón (MR, E).• Período de diseño.• Tránsito. Configuración de cargas por eje. Crecimiento, Distribución, etc.• Transferencia de cargas en juntas transversales (pasadores / trabazón

entre agregados).• Transferencia de carga en bordes (Tipo de banquina / sobreanchos de

calzada).• Confiabilidad.• Porcentaje de Losas Fisuradas.

FACTORES INVOLUCRADOS EN EL DISEÑO


56PORCENTAJE DE LOSAS FISURADAS

Clasificación Confiabilidad Losas FisuradasLosas fisuradas(valor probable)

Residencial Liviano 75 % 15 % 7,5 %

Residencial 80 % 15 % 6 %

Colectoras 85 % 10 % 3 %

Arteria Menor 90 % 10 % 2 %

Arteria Principal 95 % 5% 0,5 %

Efecto combinado del Porcentaje de losas fisuradas con la confiabilidad.

( )5.0

11 LFPR

S⋅−−=

50% / Fisuradas Losasdad)Confiabili(100%ProbableValor ⋅−=


Ejemplo (ACPA StreetPave)57


ING. DIEGO H. CALO

COORDINADOR

DEPARTAMENTO TÉCNICO DE PAVIMENTOS

[email protected]

GRACIAS

67

diseño pavimento rigido

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