20.00 Diseño de Recapeos Asshto

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CALCULO DE RECAPEO

METODO AASHTO 93

07PAVIMENTOS

Ing. Augusto García

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

� Los métodos de rehabilitación de pavimentospor colocación de una sobrecapa o recapeosobre la estructura existente son muy variados,en función del tipo y deterioro de la estructura ysuperficie existente y se tienen los siguientescasos.� AC sobre pavimento AC

� AC sobre pavimento fracturado de PCC

� AC sobre JPCP, JRCP o CRCP

� AC sobre AC/JPCP, AC/JRCP o AC/CRCP

� PCC con pasadores sobre pavimento PCC

� PCC sin pasadores sobre pavimento PCC

� PCC sobre pavimento de AC

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

� La versión de recapeos de la AASHTO 1986 tenia muchas contradicciones y problemas

� Es por eso que la AASHTO la reformulo y modifico para la guía de 1993

� Las siguientes abreviaturas fueron establecidas en esta guía:� AC = concreto asfaltico (también se le llama HMA)

� PCC = concreto de cemento Portland

� JPCP = pavimento de concreto simplemente unido

� JRCP = pavimento de concreto con uniones reforzadas

� CRCP = pavimento de concreto con refuerzo continuo

� AC/PCC = concreto de cemento Portland con recapeo de asfalto

Conceptos de diseñoConceptos de diseño

� Un proyecto de recapeo puede incluir

secciones con longitudes de unos cuantos

metros a varios kilómetros

� Una pregunta crucial a preguntarse es como

se va a dividir el proyecto, ya que esto

determinara el espesor del recapeo para

cada sección

� Dos conceptos a explicar:

� Diseño de Recapeo del Proyecto

� Deficiencia Estructural

Diseño de Recapeo del proyectoDiseño de Recapeo del proyecto

� Dos métodos utilizados, a ser seleccionados en

base a las condiciones especificas del proyecto.

� Método de la Sección Uniforme

� Método Punto por Punto

Método de sección uniformeMétodo de sección uniforme

� El proyecto se divide en secciones de

características relativamente uniformes

� Cada sección es considerada y diseñada de

manera independiente y luego el promedio de

todas las secciones se obtiene

� La división de secciones se puede hacer

� Según records históricos de comportamiento (preferido)

� Según relevamientos de fallas(no siempre suficientes) y

estructurales no destructivos:

○ Ensayos de deflexión

○ Condición de pavimento

○ Serviceabilidad

Método de punto por puntoMétodo de punto por punto� En vez de trabajar en secciones, se diseñan

recapeos para ciertos puntos con una frecuencia

determinada (por ejemplo, cada 300 pies o 10o

metros).

� Toda la información se consigue en ese punto, y se

realiza el calculo de rediseño.

� Se consiguen diseños por punto y se saca un

promedio a un cierto nivel de confiabilidad.

� Puntos que requieren recapeos mucho mayores al

promedio deberían ser evaluados en campo,

porque de repente requieren reparaciones

extensivas o reconstrucciones

� El recapeo tiene como objetivo el corregir la

deficiencia estructural e incrementar su

habilidad de soportar cargas por un tiempo

determinado� Se observa el

descenso de la

serviceabilidad con el

numero de

aplicaciones N

� La serviceabilidad se

puede reemplazar por

la capacidad

estructural

Deficiencia EstructuralDeficiencia Estructural

� Para pavimentos flexibles, SC es el numero estructural SN

� Para pavimentos rígidos, SC es el espesor del pavimento D

� Para pavimentos compuestos, SC es un espesor equivalente

� El pavimento tiene un SCo

inicial que se deteriora y

llega a un SCeff después

de N repeticiones

� Se requiere proveer una

capacidad estructural

adicional SCOL, provisto

por el recapeo

Deficiencia EstructuralDeficiencia Estructural

Deficiencia EstructuralDeficiencia Estructural� La suma de este SCOL con el existente SCeff es equivalente a la

capacidad estructural Sf para el nuevo pavimento diseñado con el

modulo existente y para el trafico proyectado a resistir por el recapeo.

� La ecuación básica

para rediseño es la

mostrada�

� La AASHTO 93

recomienda:

� n = 2, recapeos

de concreto en

concreto sin

unión

� n = 1 para todos

los otros

pavimentos

Determinación del SCeffDeterminación del SCeff

� La parte mas complicada de diseñar un recapeo

es el determinar la SCEFF

� Se usan tres alternativas:

A. Relevamiento de condición visual y ensayo de

materiales

B. Ensayos de deflexión no destructivos

C. Vida remanente del daño por fatiga por el trafico.

� Los métodos no proveen resultados equivalentes,

así que se recomienda realizar los tres (mientras

se pueda) y decidir en base a experiencia el valor

apropiado.

� Relevamiento Visual

� Incluye la revisión de toda la información relevante

(diseño, construcción e historia de mantenimiento)

� Relevamiento detallado identificando las fallas

existentes, ubicación, tamaño y severidad.

� También se debe levantar la información acerca del

drenaje y los problemas y ubicaciones donde se

pueden mejorar estas condiciones

A. Relevamiento visual y ensayo de materialesA. Relevamiento visual y ensayo de materiales

� Ensayo de Materiales

� Diamantinas y otros ensayos que verifiquen / identifiquen

la causa de las fallas levantadas

� Si se realizan NDT, estos ensayos apoyan las

conclusiones de los NDT

� También sirve para determinar el espesor/condición de la

vía

� Las diamantinas también sirven para determinar las

condiciones de los materiales existentes y compararlos

con lo que se propone poner

� También sirve para ver cuan deteriorados han acabado los

materiales y si estos funcionaron como se esperaba


� Ensayo de Materiales - Ensayos típicos:

� Granulometrías para identificar degradación y

contaminación de materiales granulares por finos

(en AC y PCC)

� Ensayos de extracción para determinar los

contenidos de ligante y granulometría de la mezcla

asfáltica (en AC)

� Determinar problemas de durabilidad del concreto

(en PCC)


� Para determinar el SNeff para pavimentos flexibles

se usa la siguiente ecuación:

� Los valores de m2 y m3 son idénticos a los usados

en diseño de pavimentos flexibles

� Dependiendo de las condiciones del pavimento, los

valores de “a” deberían ser menores que los

asignados a pavimentos nuevos.

� Valores recomendados en la tabla siguiente:


A. RELEVAMIENTO VISUAL Y ENSAYO

DE MATERIALES

� Para determinar el Deff para pavimentos rígidos se usa la

siguiente ecuación:

Donde:

� Fjc = Factor de ajuste por juntas y grietas

� Fdur = Factor de ajuste por durabilidad

� Ffat = Factor de ajuste por daño de fatiga

� El Fjc se puede determinar dependiendo del numero de

juntas transversales deteriorados y las grietas por milla (o

por km) siguiendo la grafica de la siguiente diapositiva



� Se recomienda que todas las juntas dañadas y las grietas

y cualquier otra discontinuidad en la losa existente sean

reparados en toda su profundidad antes del recapeo, así

se haría que Fjc = 1

� El factor Fdur se aplica cuando hay problemas de

durabilidad o se observan agregados con problemas de

reacción. Valores recomendados de Fdur a continuación:


A. Relevamiento visual y ensayo de materialesA. Relevamiento visual y ensayo de materiales� Los factores de

ajuste por daño por

fatiga se determinan

en base a la

extensión de

agrietamiento

transversal (JPCP,

JRCP) y de roturas

(CRCP) que son

causadas

principalmente por

cargas repetidas.

� Los ensayos no destructivos (NDT) son

diferentes entre pavimentos flexibles y los rígidos.

� Para los flexibles, los NDT son usados para

estimar el modulo resiliente de la base granular y

proveer una estimación directa del valor SNeff

� Para los rígidos, los NDT se usan para examinar

la eficiencia en la transferencia de carga en las

juntas y en las grietas, determinar los valores “k”

de la subrasante y E del concreto.

B. Ensayos no destructivosB. Ensayos no destructivos

� Pavimentos Flexibles

� Se puede determinar el modulo de la subrasante utilizando

los métodos explicados en la clase anterior sobre NDTs


� Pavimentos Flexibles � De manera simplificada, usando la ecuación de

Boussinesq se puede decir:

dr = P (1 – υ2) / (π r MR)

Donde:

dr = deflexión de la superficie a una distancia r de la carga

P = carga puntual

υ = modulo de Poisson

r = distancia a la carga

MR = modulo resiliente

� Si se asume que υ = 0.5, entoncesMR = (0.24 . P) / (dr . r)


� Pavimentos Flexibles

� De manera empírica, AASHTO recomienda corregir la

ecuación anterior con un coeficiente C = 0.33 o menor

para uso posterior en el método. Entonces la ecuación

se reescribe como:

MR = C (0.24 . P) / (dr . r)

� Para poder calcular el valor del modulo de la

subrasante, es necesario colocar el 5to sensor (grafica

anterior) lo suficientemente lejos como para que no

afecte el HMA ni la base, pero tampoco no muy lejos

como para que no se perciba deflexión alguna.


� La siguiente ecuación se usa para determinar el “r”necesario

Donde: a = radio del plato de carga

D = espesor total encima de la subrasante

Ep = modulo efectivo de todas las capas

� Ep se calcula con la siguiente ecuación (grafica también):

Donde d0 = deflexión medida debajo del plato de carga


� La ecuación anterior se puede resolver mediante

métodos iterativos y/o hojas de calculo

� Si a = 5.9 pulgadas (15 cm), AASHTO provee

una figura (mostrada en la siguiente diapositiva)



� Las graficas siguientes sirven para determinar:

� Factor de ajuste por temperatura para base

granulares o tratadas con asfalto (Figura 3.18)

� Factor de ajuste para bases tratadas con cemento o

puzolanicos (Figura 3.19)

que se tiene que aplicar al valor de d0 en el

proceso de calculo


Base Granular o Base

Tratada con Asfalto


Base Tratada con Cemento o

Puzolanico


� Una vez que se determina el valor de Ep, se

puede calcular el valor de SNeff, por la siguiente

ecuación


dr = P (1 – υ2) / (π r MR)

MR = (0.24 . P) / (dr . r)

La ecuación se puede resolver mediante

métodos iterativos y/o hojas de calculo

Si a = 5.9 pulgadas (15 cm), AASHTO

provee una figura (mostrada en la

siguiente diapositiva)

dr = deflexión de la superficie a una distancia r de la carga


� Se realiza un NDT en un pavimento flexible con un plato de

5.9 in (15 cm). El espesor del AC es de 4.25 in (10.8 cm) y la

base granular es de 8 in (20.3 cm).

� La temperatura del AC en el momento del ensayo es de 80F

� La carga total aplicada es de 9000 lb (40 kN)

� La deflexión en el centro del plato es igual a 0.0139 in (13.9

mil o 0.35 mm)

� La deflexión a 36 in (91 cm) del centro del plato es igual a

0.00355 in (0.09 mm)

� Calcular MR y SNeff


� Usando la ecuación:

MR = C (0.24 . P) / (dr . r) y C = 0.33

� Entonces:

MR = 0.33 (0.24 . 9000) / (0.00355 . 36)

MR = 5580 psi (38.5 MPa) a usarse en AASHTO

� Usando C = 1.00

MR = 16900 psi

� d0 = 0.0139 que tiene que ser ajustado



� Usando la ecuación:

MR = 16,900 psi

� d0 = 0.0139 que tiene que ser ajustado

Factor de ajuste = 0.92

d0 = 0.0139 x 0.92 = 0.0128 in (0.33 mm)

0.001 in = 1 mil

0.0128 in = 12.8 mils

� Para usar la grafica siguiente, se tiene que calcular el valor

(MR d0) / P = (16900 x 12.8) / 9000 = 24.0

D = 4.25 + 8 = 12.25 in


Ep / MR = 8.5

Ep = 8.5 x 16,900

Ep = 143,650 psi

SNeff = 0.045 x 12.25 x 1436500.33 = 2.88 que será usado en el diseño de recapeo


� Y calculando r con la ecuación

� con los valores calculados se tiene

r = 0.7 x { (5.92) + [12.25 x (8.5)0.33]2}0.5 = 17.98 in

� Que esta bien por debajo de la distancia de 36” en la cual se

coloco el 5to geófono para determinar el modulo de la

subrasante


Pavimentos Rígidos� Para poder calcular la eficiencia en la transferencia en las juntas y

grietas, se coloca el plato en un lado de la junta/grieta teniendo el borde

del mismo tangente a la junta/grieta

� Las deflexiones, una en el centro y otra a 12 pulgadas en el otro lado de

la junta/grieta, se miden y la eficiencia de transferencia se mide como:

ΔLT = 100B (Δul / Δt)

Donde:

ΔLT = Transferencia de carga en porcentaje

Δul = Deflexión en el lado NO cargado

Δt = Deflexión en el lado cargado

B = Factor de corrección por flexión de losa (valores típico de 1.05

a 1.15 son usados y se calculan ensayando en la mitad de la

losa)


� Pavimentos RígidosΔLT > 70, J = 3.2

50 < ΔLT < 70, J = 3.5

ΔLT < 50, J = 4.0

� Para calcular el valor de “k” y el de Ec, se puede usar las figuras mostradas a continuación con la siguiente ecuación

Donde:

d0, d12, d24, d36 = deflexiones medidas a 0, 12, 24 y 36 in del centro del plato de carga

AREA = en pulgadas y es el área de la base de deflexión




� Pavimentos Rígidos - EjemploSe realizo un ensayo con un FWD en un pavimento de concreto de 10”.

El plato de carga es de 5.9 in y la carga fue de 7792 lb. Los sensores

están ubicados a 0, 12, 24 y 36 in.

Las mediciones respectivas fueron 0.0030, 0.0028, 0.0024 y 0.0021 in.

Si el coeficiente de Poisson del concreto se asume como 0.15

Calcular k y Ec

Solucion:

AREA = 6 [1 + 2(0.0028 / 0.0030) + 2 (0.0024 / 0.0030) + (0.0021 /

0.0030) ] = 30.996


k = 210


EcD3 = 6 x 109

Si D = 10 in

Ec = 6 x 106


� Pavimentos Rígidos

k del NDT es el k dinamico

k estatico = k dinamico / 2


� La vida remanente (RL) se calcula (al 50% de confiabilidad) de la

siguiente manera:

RL = 100 ( 1 – Np / N1.5)

Donde:

Np = trafico que ha sobrellevado el pavimento al dia de hoy

N1.5 = trafico que se espera que el pavimento sobrelleve hasta llegar a

fallar (PSI = 1.5)

� Con RL conocido, se puede calcular una factor de condición CF de la

figura de la diapositiva siguiente y con eso se puede calcular

SCeff = CF x SCo

C. vida remanente después de daño de fatiga por traficoC. vida remanente después de daño de fatiga por trafico


� Ejemplo:

� Un pavimento de concreto de 10 in con un PSI inicial de 4.5

ha estado sujeto a 14.5 millones de 18-kip ESAL antes de

ser recapeado.

� Si k = 72 pci, Ec = 5 x 106 psi, Sc = 650, J = 3.2, y Cd = 1.0

� Determinar la capacidad estructural efectiva SCeff del

pavimento siguiendo el método de la vida remanente


� Ejemplo:

� Np = 14,500,000

� N1.5 = ??

� Se calcula el N1.5 con el método AASHTO para pavimentos

rígidos con los datos provistos


R = 50% (Z = 0) So = N/A D = 10.0 in

ΔPSI = 4.5 – 1.5 = 3.0 Sc = 650 psi Cd = 1.0

J = 3.2 k = 72 pci Ec = 5 x 106 psi

N1.5 = 31.5 millones

k = 72 pci

Ec = 5 x 106 psi

Sc = 650 psi

J = 3.2

Cd = 1.0

ΔPSI = 3.0

D = 10.0 in

R = 50% (Z = 0)

� Ejemplo:

� Np = 14,500,000

� N1.5 = 31,500,000

� RL = 100 (1 – Np / N1.5) = 100 (1 – 14500000/31500000) =

0.54


CF = 0.9


� Ejemplo:

� Np = 14,500,000

� N1.5 = 31,500,000

� RL = 100 (1 – Np / N1.5) = 100 (1 – 14500000/31500000) = 0.54

� CF = 0.9

� SCeff = CF x SCo

� En pavimentos rígidos SC esta definido por el espesor D

� Entonces

Deff = CF x Do

9 = 0.9 x 10 …. Deff

= 9 pulgadas


Análisis de capacidad estructural futuraAnálisis de capacidad estructural futura

� El objetivo principal de todo este análisis es determinar la capacidad

estructural total (SCf) que permita sostener un pavimento nuevo para Nf

repeticiones

� Esto se puede hacer tranquilamente con un rediseño para un pavimento

nuevo flexible o rígido, con algunas ligeras modificaciones para estos 7

casos

Método de diseño de recapeoMétodo de diseño de recapeo

� La guía AASHTO provee de procedimientos paso a paso para cada

uno de estos 7 casos de recapeo, incluyendo pasos para

� Análisis costo-beneficio

� Reparaciones antes del recapeo

� Control de reflexión de grietas

� Subdrenaje

� Diseño de espesores

� Estos pasos se repiten para cada caso, a pesar de ser casi idénticos.

� En la tabla anterior se puede observar si es que se calcular el diseño

con valores SN o D, y si se requiere NDT para determinar valores MR

o k, y que métodos se usan para calcular SCeff

CASO I: AC sobre ACCASO I: AC sobre AC

� El espesor requerido de recapeo DOL se puede calcular

con la siguiente ecuación:

DOL = SNOL / aOL = (SNf – SNeff) / aOL

Donde:

aOL = coeficiente estructural del material de recapeo

� Se sugiere utilizar los tres métodos (si esto se puede)

para calcular el SNeff y el valor mas apropiado usarse

según la experiencia ingenieril.

� Ejemplo:

� Estructura Original

AC = 4.25 in Base = 8 in

� MR = 5634 psi (calculado vía NDT, arena limosa/arena gravosa)

� Calcular el diseño de recapeo para que el pavimento soporte 2,400,000 ESALs adicionales a un nivel de confiabilidad de R = 50% para un So = 0.45, con p1 = 4.2, p2 = 2.5

� Se sabe que el pavimento ya sostuvo Np = 400,000 ESALs, su a1 = 0.44, a2 = 0.14

� Considerar aOL = 0.44


� Ejemplo:

� Calcular SNeff

Método NDT = 2.88 (ejemplo presentado anteriormente)

Método de relevamiento, usando tablas 13.7 presentado antes

a1 = 0.35 a2 = 0.14

m1 = 1.00 m2 = 1.00

SNeff = 0.35 x 4.25 + 0.14 x 8 = 2.61

Método de vida remanente

RL = 100 ( 1 – Np / N1.5)

Se necesita calcular N1.5, y se hace usando el nomograma

para pavimentos de asfalto, resultando N1.5 = 1,140,161

RL = 65, CF = 0.93, y SNeff = 0.93 x 2.99 = 2.78


N1.5 = 1.140 millones

� Ejemplo:

� Calcular SNeff

De los tres métodos se puede escoger cualquiera según la experiencia, o ante la falta de la misma, se puede analizar los resultados con los tres o el promedio

Si se usa el menor, 2.61, con el valor de aOL = 0.44

� DOL = SNOL / aOL = (SNf – SNeff) / aOL

� Falta calcular SNf

� Aplicando el nomograma para R = 95%, So = 0.45, p1 = 4.2, p2 = 2.5 y el trafico adicional de Nf = 2,400,000

� SNf = 4.69

� Entonces

� DOL

= (4.69 – 2.61) / 0.44 = 4.73 in de AC sobre AC


CASO III: AC sobre PCCCASO III: AC sobre PCC� El espesor requerido para un recapeo de concreto

sobre concreto (con unión) se calcula como

DOL = Df - Deff

Donde

DOL = espesor del PCC

� Sin embargo, si el recapeo es con asfalto, el espesor

obtenido con concreto debe reconvertirse a un

espesor equivalente AC

DOL =A (Df - Deff)

Donde

A = factor de conversión entre los espesores de

concreto y asfalto

CASO III: AC sobre PCCCASO III: AC sobre PCC

� Se uso el programa BISAR para calcular el valor de A en

base a los esfuerzos de tensión en la parte baja de la losa

� Se encontró que

A = 2.2233 + 0.0099 (Df – Deff)2 – 0.1534 (Df – Deff)

� Donde Deff se calcula por cualquiera de los métodos

previamente presentados

� Ejemplo

� Recapeo de AC sobre un JRCP existente

� Losa de 10 pulgadas

� k = 150 pci, CBR = 5

� So = 0.35

� p1 = 4.2

� p2 = 3.0 al momento de decidir el recapeo

� J = 3.2

� Cd = 1.00

� Ec = 4 x 106 psi

� Sc = 650 psi

� Se requiere soportar 10,050,000 ESAL adicionales


� Ejemplo

� Recapeo de AC sobre un JRCP existente

� Losa de 10 pulgadas

� k = 150 pci, CBR = 5

� So = 0.35

� p1 = 4.2 p2 = 3.0 al momento de decidir el recapeo

� J = 3.2 Cd = 1.00

� Ec = 4 x 106 psi Sc = 650 psi

� Se requiere soportar 10,050,000 ESAL adicionales

� De un relevamiento en campo se encontro:

� Ffat = 0.98 Fdur = 0.98 Fjc = 0.95



� Ejemplo

� Se requiere calcular

� Deff = D x Ffat x Fjc x Fdur = 10 x 0.98 x 0.95 x 0.98 = 9.12 in

� Se necesita Df

� Df se calcula del nomograma

DISEÑO - NOMOGRAMADISEÑO - NOMOGRAMA

� R = 95% So = 0.35 D = 10.0 in

� ΔPSI = 4.2 – 3.0 = 1.2 Sc = 650 psi Cd = 1.0

� J = 3.2 k = 150 pci Ec = 4 x 106 psi

DISEÑO -

NOMOGRAMA

DISEÑO -

NOMOGRAMA Df= 11.40

� R = 95%

� So = 0.35

� D = 10.0 in

� ΔPSI = 4.2 – 3.0 =

1.2

� Sc = 650 psi

� Cd = 1.0

� J = 3.2

� k = 150 pci

� Ec = 4 x 106 psi


� Se requiere calcular

� Deff = D x Ffat x Fjc x Fdur = 10 x 0.98 x 0.95 x 0.98 = 9.12 in

� Se necesita Df

� Df se calcula del nomograma = 11.40

� Se calcula DOL = Df – Deff

DOL = 11.40 – 9.12 = 2.28 in de concreto

� Aplicando la ecuación que modifica asfaltos en vez de

concreto

A = 2.2233 + 0.0099 (Df – Deff)2 – 0.1534 (Df – Deff)

A = 1.93

� Entonces

DOL = 1.93 x 2.28 = 4.4 in de AC

20.00 Diseño de Recapeos Asshto

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