TIPO DE CARGA EN UN PAVIMENTO

INGENIERA CIVIL

FACULTAD DE INGENIERIA ARQUITECTURA Y URBANISMO.ESCUELA PROFESIONAL DEINGENIERIA CIVL.CURSO:DISEO DE PAVIMENTOSDOCENTE:ING Ruiz Saavedra Nepton DavidESTUDIANTES:SILVA BARBOZA MERCEDES ANYOLINEVlchez Prez JoelZumaran Vsquez KevinCiclo:VI. Pimentel, 17 de Octubre del 2014

INTRODUCCINLos materiales que constituyen los pavimentos, incluyendo las terraceras y el terreno de cimentacin, se ven sometidos a cargas dinmicas de diversas magnitudes que le son transmitidas por el trnsito vehicular. Con el fin de tomar en cuenta la naturaleza cclica de las cargas que actan en los materiales que conforman una estructura de pavimento, as como el comportamiento no lineal y resiliente de los materiales, se han realizado en el mundo varios trabajos experimentales, tanto en modelos a escala natural como en muestras de material probadas en el laboratorio, obtenindose valiosa informacin sobre el comportamiento esfuerzo-deformacin de los materiales. Aunque generalmente una carga simple no genera grietas en el pavimento, las repeticiones de carga pueden inducir agrietamientos en las capas confinadas. Los esfuerzos cortantes y de tensin, as como las deformaciones en las capas confinadas causan la formacin de microgrietas. Estas microgrietas acumuladas con la repeticin de cargas pueden generar macrogrietas visibles. Este proceso es llamado fatiga.

1. CONCEPTOS GENERALES:Los pavimentos tienen como funcin principal la de soportar las cargas de los vehculos, transmitidas a estos por sus respectivos neumticos.Lo normal en el diseo de pavimentos es considerar el peso de los ejes que pueden tener dos o cuatro llantas. Estas cargas varan de un pas a otro. Si se verificara frecuentemente el peso de los vehculos que usan nuestras carreteras y calles, se vera con frecuencia que exceden de esas cargas mximas permisibles, siendo este el principal factor del deterioro prematuro de las estructuras de los pavimentos en el pas.

Los pavimentos se proyectan para que resistan determinado nmero de cargas durante su vida til. El transito est compuesto por vehculos de diferente peso y nmero de ejes, y a los efectos de clculo, se los transforma en un nmero equivalente de ejes tipo de 80 KN con el nombre de ESALs (Carga de eje simple equivalente).Las diferentes cargas actuantes sobre un pavimento producen diferentes tensiones y deformaciones en el mismo. Adems, diferentes espesores de pavimentos y diferentes materiales responden de diferente manera a una misma carga. Debido a esta diferente respuesta en el pavimento, las fallas sern distintas segn la intensidad de la carga y las caractersticas del pavimento. Para tener en cuenta esta diferencia, el transito es reducido a un nmero equivalente de ejes de una determinada carga que producir el mismo dao que toda la composicin de trnsito. Esta carga tipo AASHO es de 80 KN. La conversin se hace a travs de los factores equivalentes de carga.

2. Clasificacin de los pavimentos:Los pavimentos pueden dividirse en rgidos y flexibles. Las cargas que transmiten a la fundacin son muy diferentes como se muestra a continuacin:2.1 En un pavimento rgido:Los pavimentos rgidos son aquellos cuya superficie de rodadura es de concreto hidrulico de cemento Portland, y generalmente estn asentadas sobre una capa de material de subbase (CBR > 40%) y est a su vez sobre la subrasante nivelada y compactada al 95% de la mxima densidad seca del ensayo proctor modificado.Debido a la rigidez de la losa de concreto se produce una buena distribucin de las cargas de las ruedas de los vehculos, dando como resultado tensiones muy bajas en la subrasante. Debido a la rigidez y alto mdulo de elasticidad del concreto, los pavimentos rgidos basan su capacidad portante en la losa de concreto ms que en la capacidad de la subrasante. Los pavimentos rgidos pueden dividirse en tres tipos: Concreto simple con juntas. Concreto armado con juntas. Concreto armado con refuerzo continuo.El pavimento de concreto simple no contiene armadura en la losa y el espaciamiento entre juntas es pequeo entre 2.50 a 5 metros. Las juntas pueden o no tener dispositivos de transferencia de cargas.Los pavimentos de concreto armado con juntas tienen espaciamientos mayores entre juntas entre 5 a 12 metros y llevan armadura distribuida en la losa a los efectos de controlar y mantener cerradas las fisuras de contraccin. Los pavimentos de concreto armado continuo tienen armadura continua longitudinal y no tienen juntas transversales, excepto juntas de construccin. La armadura transversal es opcional en este caso. Estos pavimentos tienen ms armadura que los de hormign armado con juntas y el objetivo de esta armadura es mantener un espaciamiento adecuado entre fisuras y que stas permanezcan cerradas.

2.2 Pavimento flexible:El concreto asfltico, al tener menor rigidez, se deforma y transmite tensiones mayores en la subrasante.Los pavimentos flexibles se caracterizan por ser sistemas multicapa con las capas de mejor calidad cerca de la superficie donde las tensiones son mayores. La capa superior es de concreto asfltico. Un pavimento flexible trabaja distribuyendo la carga hasta que llegue a un nivel aceptable para la subrasante. Por debajo de la capa de concreto asfltico se coloca una base que puede ser de piedra partida, grava bien graduada o materiales estabilizados (con cemento, cal o asfalto). Por debajo de esta base se coloca una capa de menor calidad denominada sub base.Los pavimentos flexibles se definen a su vez en: Tipo alto: capaces de soportar la carga del trnsito esperada sin deterioro visible a desgaste sin susceptibilidades al tiempo. Tipo intermedio: son capaces de rodamiento que van desde superficies tratadas hasta calidades algo inferiores a las altas Tipo bajo: aplicado a caminos de bajo costo, con superficies de rodamiento desde las no tratadas hasta las tratadas.Distribucin de la carga segn el tipo de pavimento: 2.3 Principios generales de diseo:Se debe considerar a la estructura de un pavimento como: Sistema elstico de varias capas ( cada capa con propiedades fsicas, incluyendo el mdulo de elasticidad, resistencia y la relacin de poisson) El diseo del pavimento se basa en criterios que limitan las deformaciones tanto horizontales como verticales que causan excesivo agrietamiento y deformaciones permanentes, aplicadas a travs de la repeticin de cargas.

Las cargas causan la distribucin de esfuerzos siguientes: Los esfuerzos verticales mximos son de compresin y ocurren directamente debajo de la carga de la rueda. Los esfuerzos horizontales mximos se presentan debajo de la rueda y pueden ser de tensin o compresin. La distribucin de la temperatura tiene influencia sobre los esfuerzos.

Anlisis en base a los esfuerzos y deformaciones debido a la deflexin causada por la carga de ruedaEl pavimento se presenta como un sistema elstico de varias capas.En la figura anterior se puede observar: Que la carga W que se aplica a travs del neumtico en forma de presin vertical uniforme Po que se reparten en las capas hasta llegar a la subrasante como P1.3. Influencia del trnsito en la aplicacin de las cargas en pavimentos La caracterizacin de las solicitaciones producidas por el trnsito sobre una infraestructura carretera es bastante compleja, debido no slo a la variabilidad de los distintos vehculos existentes, sino tambin a las interacciones vehculo-pavimento que producen fenmenos con solicitaciones adicionales a las propias cargas estticas del trnsito. Para dicha caracterizacin se pueden estudiar independientemente los siguientes aspectos: Magnitud de las cargas segn la composicin del trnsito (carga por eje, tipos de ejes que circulan y nmero de repeticiones de carga). Forma geomtrica de cada solicitacin sobre el pavimento, rea de contacto y reparto de presiones sobre la misma. Velocidad de los vehculos y tiempo de solicitacin en un punto. Estado de esfuerzos que producen las cargas, en funcin de su magnitud y tipologa (verticales, tangenciales, fenmenos de impacto, etc.) y las caractersticas de las capas del pavimento. 3.1 Magnitud de las cargas segn la composicin del trnsito3.1.1. Composicin vehicular y tipos de ejes representativosEn la Figura, se muestra la configuracin de las ruedas para un semitrailer tpico, formada por un eje sencillo con ruedas simples, un eje sencillo con ruedas dual y un arreglo tndem con ruedas dual.La separacin de 7 y 4 metros mostrada en la Figura no debe tener efecto en el diseo de pavimentos, ya que las ruedas estn muy separadas y la influencia en los esfuerzos y deformaciones debe ser considerada independientemente. A menos que sea utilizado un eje sencillo de carga equivalente, la consideracin de ejes mltiples no es materia fcil. El diseo puede facilitarse si los ejes tndem y trdem son tratados como un grupo y considerados como una repeticin.El aumento de cargas por eje que se da en la actualidad hace que las investigaciones en este aspecto sean de gran relevancia, puesto que tienen una participacin directa en la vida til del pavimento.3.2 Forma geomtrica de cada solicitacin sobre el pavimento, rea de contacto y reparto de presiones sobre la misma La carga del vehculo al pavimento se transmite a travs de las ruedas. En los mtodos de diseo mecanicistas, es necesario conocer el rea de contacto de la llanta con el pavimento, asumiendo que la carga de contacto depende de la presin de contacto. El tamao del rea de contacto depende de la presin de contacto. Como se indica en la Figura, la presin de contacto es ms grande que la presin de la llanta para presiones bajas de la llanta, debido a que la pared de la misma est en compresin y la suma de las fuerzas verticales de la pared y presin de la llanta deben ser iguales a la fuerza debido a la presin de contacto; la presin de contacto es ms pequea que la presin de la llanta para presiones altas de las llantas, debido a que la pared de la llanta est en tensin. Sin embargo, en el diseo de pavimentos la presin de contacto generalmente se asume igual a la presin de la llanta. Debido a que los ejes de carga pesados tienen presiones altas y efectos ms destructivos en el pavimento, utilizar la presin de llanta como presin de contacto es estar por el lado de la seguridad.

4. Naturaleza cclica de las cargas que actan en un pavimentoEl diseo, anlisis y evaluacin estructural de las condiciones de los pavimentos comnmente se basan en el anlisis de la teora elstica multicapas; este acercamiento ofrece la posibilidad de una solucin racional al problema de diseo. El xito de esta aproximacin depende de la precisin y la manera en que las propiedades de los materiales son evaluadas y utilizadas. Se ha prestado mucho nfasis a los procedimientos de diseo en los pavimentos; stos han cambiado desde los mtodos empricos hasta los mtodos mecanicistas, basados en el acercamiento ms racional en su diseo. Las principales razones de este cambio son las condiciones cambiantes en la estructura del pavimento ante la solicitacin mvil de los vehculos cargados, ya que experimentan dos tipos de esfuerzos: los estticos por sobrecarga y los dinmicos causados por el movimiento vehicular.Los materiales que constituyen los pavimentos, incluyendo las terraceras y el terreno de cimentacin, se ven sometidos a cargas dinmicas de diversas magnitudes que le son transmitidas por el trnsito vehicular. El patrn de esfuerzos inducidos a una estructura de pavimento como resultado del trnsito de vehculos es muy complejo. Un elemento de pavimento est sujeto a pulsos de carga que involucran componentes de esfuerzos normales y cortantes. Los esfuerzos son transitorios y cambian con el tiempo conforme la carga avanza. El esfuerzo cortante cambia de sentido conforme la carga pasa, provocando as una rotacin de los ejes de esfuerzos principales.La Figura, muestra el esquema de una seccin longitudinal de las capas de un pavimento, sobre la cual una carga se mueve a velocidad constante. El estado de esfuerzos experimentado por el punto P (debido a la carga en el punto A) puede observarse en la Figura (a), en este punto actan tanto esfuerzos normales como esfuerzos cortantes. Cuando la carga se mueve al punto B, los esfuerzos cortantes son nulos y nicamente actan los esfuerzos normales, como se presenta en la Figura (b); en este punto se tiene un estado triaxial de esfuerzos, debido a que se presentan slo esfuerzos normales.La direccin de los esfuerzos cortantes originados en el punto C es contraria a la direccin de los esfuerzos originados en el punto A, como se muestra en la Figura (c).4.1 Estado de esfuerzos que producen las cargas en funcin de la magnitud y tipologaLos neumticos de los vehculos se apoyan sobre el pavimento produciendo una huella de forma distinta para cada tipo de neumtico, presin de inflado, carga por rueda, velocidad y estado de la superficie. Cuando est en movimiento, adems de variar la forma de la huella, aparecen solicitaciones distintas a las verticales, que son las que existen cuando el vehculo est detenido o con movimiento uniforme: aparecen esfuerzos horizontales debido al rozamiento y a los cambios de trayectoria, succiones de agua contenida en la seccin estructural y esfuerzos verticales de impacto por efectos del movimiento del vehculo y las irregularidades de la carretera.Los esfuerzos horizontales de aceleracin y frenado o en curvas de pequeo radio, que se pueden producir en zonas localizadas, influyen tambin en el estado de esfuerzos y deformaciones del pavimento. Cuando en la superficie de un pavimento se originan esfuerzos tangenciales, stos deben ser resistidos por los 8-10 cm superiores, pero en general no afectan a las capas inferiores. Por ello, la forma prctica con la que se resuelven estos problemas, es proyectando capas de rodamiento cuya resistencia al esfuerzo cortante sea suficientemente alta para garantizar que no se produzcan rupturas o deformaciones por cizallamiento.Los efectos dinmicos de los vehculos en movimiento se transforman en impactos y vibraciones en los que intervienen el estado superficial del pavimento y el tipo de suspensin del vehculo. En general, los vehculos en marcha transmiten al neumtico una carga de magnitud variable, segn el movimiento oscilatorio de la masa suspendida, cuya frecuencia vara con la velocidad y tipo de pavimento. Los mximos pueden ser un 40 o 50% superiores a los normales con carga esttica. Este aumento de cargas se refleja sobre el pavimento en forma de presin de contacto y/o incremento de la superficie de rodada. En la Figura 1-9 se muestra cmo cuando la rueda cargada avanza se producen pulsaciones de los esfuerzos verticales y horizontales, que son acompaados de una doble pulsacin del esfuerzo cortante con una seal contraria en el plano horizontal y vertical; aqu tambin se muestra la relacin entre el esfuerzo y el tiempo. Se observa que a medida que el vehculo se va acercando al punto P (Figura 1-8), el esfuerzo cortante se incrementa hasta llegar a un mximo para luego decrecer hasta un valor de cero (en el momento en que el esfuerzo vertical es el mximo); luego se incrementa nuevamente (pero ahora con signo contrario) hasta lograr un mximo negativo, para despus decrecer y llegar a un cero; describiendo con este comportamiento una onda senoidal completa.

En la Figura a, se puede apreciar el desarrollo de los esfuerzos verticales, horizontales y cortantes (generados en un elemento del suelo) originados por la aplicacin de las cargas impuestas por el trnsito. El funcionamiento correcto del pavimento depende en gran medida de las propiedades mecnicas de los materiales. Los suelos que conforman la estructura estn sujetos a cargas normales repetidas y a esfuerzos cortantes que varan sus magnitudes con el paso de los vehculos, como se ilustr en la Figura.El estado de esfuerzos descrito anteriormente se presenta en forma repetida cuando el paso de los vehculos se hace constante; este proceso depende en gran medida de la acumulacin de los ejes equivalentes. El exceso en el nmero de ejes cargados, en cualquier obra vial, representa el nivel de ocupacin.

4.2 Velocidad del vehculo y tiempo de solicitacin en un punto:Otro aspecto del vehculo que hay que considerar es la velocidad. Si se utiliza la teora viscoelstica, la velocidad est directamente relacionada con la duracin de la carga. Si se utiliza la teora elstica, debe seleccionarse adecuadamente el mdulo de resiliencia de los materiales para el pavimento, en proporcin con la velocidad del vehculo.Con base en los puntos sealados anteriormente se ha supuesto que los esfuerzos aplicados por una llanta en movimiento se aproximen a una forma senoidal, cuya duracin depende de la velocidad del vehculo y de la profundidad del punto al que se est haciendo referencia.

Tiempo de pulsacin para el esfuerzo vertical con carga senoidal y triangular (1in = 25.4 mm y 1 mph = 1.6 km/hr) (Barksdale, 1971).

5. Espectros de cargaDentro del gran nmero de factores que se consideran actualmente para el anlisis estructural y diseo de pavimentos, el trnsito vehicular es uno de los ms importantes. Su caracterizacin adecuada es fundamental para poder concebir estructuras de pavimento que sean capaces de ofrecer altos desempeos en trminos de durabilidad.Para fines de diseo, rehabilitacin, modernizacin, reconstruccin, preservacin y operacin de carreteras, se propone que la mejor caracterizacin del trnsito vehicular es en trminos de lo que denomina espectros de carga de cada uno de los diferentes tipos de ejes. A continuacin presentaremos un cuadro de la configuracin del vehculo y peso por eje:

5.1 CARGAS DE VEHCULOS PARA EL DISEO Y CLCULO DE PAVIMENTOSEl buen funcionamiento de la infraestructura vial va en generada por el clculo y diseo de parte de los ingenieros que se dediquen a esta rama de la profesin. Estos se enfrentaran a un reto muy importante que es el de proporcionar una estructura de pavimento eficiente y que soporte el peso dependiendo del peso vehicular que transite por esava.Todos los diseo de pavimentos deben generarse para que cumplan su vida til de la estructura que si no se disea dependiendo de paso vehicular se pueden producir varios tipos de fallas de funcionabilidad a la estructural debido que al pavimento no brinda un pasosegurosobre l, de tal forma que no transporta cmoday seguramente a los vehculos. La falla estructural est asociada con la prdida de cohesin de algunas o todas las capas del pavimento de tal forma que ste no pueden soportar las cargas a la que est sometida.Dentro del contexto deldiseode pavimentos se acepta que el dimensionamiento de estas estructuras permite que se establezcan las caractersticas de losmaterialesde las distintas capas del pavimento y los espesores, de tal forma que el pavimento mantenga un "ndice" deservicioaceptable durante la vida de servicio estimada.

Diferentes cargas generados de vehculos

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