3_evolucin Del Diseo de Pavimentos de Concreto-eh-iccg
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03/08/2012
1
Evolución del Diseño de Pavimentos
Estuardo Herrera
Centro Tecnológico
Cementos Progreso
Evolución del Diseño de Pavimentos Pavimentos de Concreto
1865 Inverness, Escocia
1891 Bellefontaine, EEUU
1930’s Ciudad de Guatemala
Pavimentación Sexta Avenida, zona 1, Guatemala
Antiguo predio donde se encuentra hoy el Palacio Nacional, Guatemala
El Pavimento de Concreto es Versátil
• Desde una banqueta peatonal
• A pistas de aterrizaje para soportar naves > 600,000 kg
Pueden ser diseñados para vida útil de 5, 10, 20 y hasta 50 años
Cada pavimento consiste de componentes principales
• Los ingenieros pueden elegir estos y producir diseños únicos según las necesidades del proyecto
Pavimentos de Concreto Componentes de los
Pavimentos de Concreto
Objetivos del Diseño de Pavimentos
3. Fricción Adecuada (por seguridad)
5.Económico
4. Buena Regularidad Proveer para Rehabilitación y Reciclado (cuando sea posible)
1. Estructura Adecuada
Diseño debe ser “Construible”
3. Superficie No Deformable (por seguridad)
2. Proveer Estructura con Uniformidad de Soporte
123
Objetivos del Diseño de Pavimentos
Para proveer una estructura que sea económica se debe considerar:
• Costo inicial de construcción
• Costo recurrente de mantenimiento
• Costo de rehabilitación
• Costos del usuario
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Tipos de Pavimentos de Concreto
Pavimento de Concreto Simple
• Con barras de transferencias (dovelas)
• Sin barras de transferencia
Pavimento de Concreto Reforzado
Pavimento Continuamente Reforzado
Concreto Compactado con Rodillo
Comparación de Terminología
Pavimentos Rígidos y Flexibles
Subrasante
Subrasante
Disipación del Esfuerzo en Pavimentos
• Práctica Actual Empírico
• Estado de la Práctica • Nivel actual de desarrollo, desempeñado o seguido
profesionalmente en un momento determinado
Mecanicista – Empírico
• Estado del Arte • Mayor nivel de desarrollo de dispositivo, técnica o campo
científico en un momento determinado
¿Puramente Mecanicista?
Evolución del Diseño de Pavimentos
• Práctica Actual Empírico
Mecanicista - Empírico
¿Puramente Mecanicista?
Diseño Empírico
Espesor
CBR
Guía Diseño AASHTO 1986-93
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Procedimientos AASHTO - Actualizaciones
• Guía Interina AASHO para diseño de pavimentos rígidos y flexibles 1961 – 1962
• Guía Interina AASHTO para diseño de estructuras de pavimentos – actualización 1972
• Revisión del Capítulo III de pavimentos de concreto de cemento Portland 1981
• Guía para el diseño de estructuras de pavimentos – revisiones mayores 1986
• Revisión de procedimientos de diseño de sobrecapas (deficiencias ’86); base WinPas 1993
• DARWin-ME – Conceptos mecanicistas incorporados 2010
Espesor
(D)
Confiabilidad
(R, So)
Tráfico
(ESALs)
Resistencia Sub-rasante
(kd)
Serviceabilidad
(po, pt)
Concreto
(S’c, Ec)
Transferencia Carga (J)
Coeficiente Drenaje (Cd)
Guía Diseño AASHTO 1986-93
Factores
Ecuación Diseño AASHTO 1986-93 Guía Diseño AASHTO 1993
WinPAS – Nos hace la vida fácil
E W
Necesidad de Transición hacia
Procedimientos de Diseño M - E
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Basada en prueba AASHO 1950’s
Versiones:
• 1961 (Interim Guide), 1972, 1986, 1993 (E)
• 1986 Destaca necesidad diseño M-E
• 1998 Suplemento Rígido (conceptos M-E)
Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO Una Zona Climática
LTPP
Estudio de 20 años de pavimentos en servicio (1987)
Monitoreo de más de 2400 pavimentos flexibles y rígidos
AASHO ROAD TEST – 1950’s Un Solo Tipo de Subrasante
Cargas Vehiculares de 1950’s Métodos Constructivos Controlados
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Capacidad de
Análisis de
Datos de 1950’s
…
Dos Años de Ensayos …
No 10 a 30 años
de Servicio
Diseño Mecanicista – Empírico
Empírico
• Estado de la Práctica • Nivel actual de desarrollo, desempeñado o seguido
profesionalmente en un momento determinado
Mecanicista – Empírico
¿Puramente Mecanicista?
Diseño Mecanisista - Empírico
Elementos
Mecanicistas
Elementos
Empíricos
Predicción de
Desempeño de
Pavimentos
PCA – 1933/1966/1984 “Receta de Cocina” - PCA
Paso1
2
3
4
5
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7
8
9
10
11
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Columna 6 - De Figuras 6a ó 6b utilizando Columna 2 e Ingreso 10 y 13
(Si No. de repeticiones permitidas > 10,000,000 ingresar ilimitado)
Columna 7 = (Columna 3 / Columna 6) * 100 (Si Columna 4 es ilimitada
entonces Columna 5 = 0)
Suma de todos los valores en Columna 7 (Si suma > 100, entonces la losa
es muy delgada) (Si suma < 100 entonces espesor es OK)
Chequear que la suma de las Columnas 5 y 7 sea cercano a 100, si no es
así, asuma un espesor de losa más delgado y repita el proceso
Método de Diseño de Pavimentos Rígidos PCA
Utilizando Tabla "Cálculo de Espesor de Pavimento"
Procedimiento
Columna 3 = Número de ejes esperados en el período de diseño
Ingresar 8 y 11 = Esfuerzo equivalente de tablas 6a o 6b
Ingresar 9 y 12 = Ingreso 8 / MR y Ingreso 11 / MR, respectivamente
Columna 5 = (Columna 3 / Columna 4) * 100 (Si Columna 4 es ilimitada
entonces Columna 5 = 0)
Suma de todos los valores en Columna 5 (Si suma > 100, entonces la losa
es muy delgada) (Si suma < 100, proceder con análisis de erosión)
Ingresar 10 y 13 utilizando Tablas 7a y 8a ó 7b y 8b
Asumir espesor de losa (Pesado = 8-12" y Liviano = 6-8")
Ingresar valor k (pci) en sub-base/sub-rasante (Tablas 1 y 2)
Ingresar modulo de rotura del concreto, MR (psi)
Seleccionar Factor de Carga (LSF) basado en clasificación de tráfico
Ingresar tipo de junta
Columna 4 - De Figura 5 utilizar Columna 2 e Ingresos 9 y 12
(Si No. de repeticiones permitidas > 10,000,000 ingresar ilimitado)
Ingresar tipo de hombro
Ingresar periodo de diseño
Columna 1 - Incluir niveles de carga para ejes sencillos y tandem
Columna 2 = LSF * Columna 1
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“Receta de Cocina” - PCA
Paso1
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Columna 6 - De Figuras 6a ó 6b utilizando Columna 2 e Ingreso 10 y 13
(Si No. de repeticiones permitidas > 10,000,000 ingresar ilimitado)
Columna 7 = (Columna 3 / Columna 6) * 100 (Si Columna 4 es ilimitada
entonces Columna 5 = 0)
Suma de todos los valores en Columna 7 (Si suma > 100, entonces la losa
es muy delgada) (Si suma < 100 entonces espesor es OK)
Chequear que la suma de las Columnas 5 y 7 sea cercano a 100, si no es
así, asuma un espesor de losa más delgado y repita el proceso
Método de Diseño de Pavimentos Rígidos PCA
Utilizando Tabla "Cálculo de Espesor de Pavimento"
Procedimiento
Columna 3 = Número de ejes esperados en el período de diseño
Ingresar 8 y 11 = Esfuerzo equivalente de tablas 6a o 6b
Ingresar 9 y 12 = Ingreso 8 / MR y Ingreso 11 / MR, respectivamente
Columna 5 = (Columna 3 / Columna 4) * 100 (Si Columna 4 es ilimitada
entonces Columna 5 = 0)
Suma de todos los valores en Columna 5 (Si suma > 100, entonces la losa
es muy delgada) (Si suma < 100, proceder con análisis de erosión)
Ingresar 10 y 13 utilizando Tablas 7a y 8a ó 7b y 8b
Asumir espesor de losa (Pesado = 8-12" y Liviano = 6-8")
Ingresar valor k (pci) en sub-base/sub-rasante (Tablas 1 y 2)
Ingresar modulo de rotura del concreto, MR (psi)
Seleccionar Factor de Carga (LSF) basado en clasificación de tráfico
Ingresar tipo de junta
Columna 4 - De Figura 5 utilizar Columna 2 e Ingresos 9 y 12
(Si No. de repeticiones permitidas > 10,000,000 ingresar ilimitado)
Ingresar tipo de hombro
Ingresar periodo de diseño
Columna 1 - Incluir niveles de carga para ejes sencillos y tandem
Columna 2 = LSF * Columna 1
PCA – 1966/1984
Cercano a 100%,
sin sobrepasar
Fa
tig
a
Ero
sió
n
Pavement Evaluator
Patrocinado por la FICEM (Federación Interamericana del Cemento) para HDM-4
Investigación liderada por el ICH, concluyendo en 1998
Modelos de deterioro y efectos de los trabajos en pavimentos de concreto del HDM-4
Desarrolla relaciones entre deterioro y conservación de carreteras de concreto HDM-4
Pavement Evaluator AASHTO 1986/1993
Pavement Evaluator Pavement Evaluator
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El Dilema es …
¿Qué voy a usar ahora?
¿Hacia donde deberíamos ir?
StreetPave
• Lanzado en 2005 por ACPA
• Para Calles y Carreteras
• Mejoras:
• Modelo de fatiga del concreto con componente confiabilidad
• Análisis de ejes tridem
• Recomendaciones para dovelas, espaciamiento, sub- rasantes y sub-bases
• Comparaciones con asfalto
Método de Diseño Mecanístico StreetPave - ACPA
StreetPave 12
E S
Método de Diseño Mecanicista – Empírico AASTHO M-E
Estudios de Desempeño - LTPP
LTPP
Estudio de 20 años de pavimentos en servicio (1987)
Monitoreo de más de 2400 pavimentos flexibles y rígidos
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Pantalla Inicio – Guía M-E Componentes Clave en el Diseño M - E
• Datos de Entrada
• Modelos de Respuesta Estructural
• Predicción de Desempeño
• Criterios de Falla
• Confiabilidad del Diseño
Información General Datos de Entrada
Relacionados con el sitio
• Tráfico – Espectros de carga
• Sub-rasante – propiedades, resistencia, módulos
• Clima – precipitación, temperatura
Relacionados con el diseño
• Sección estructural – espesor, tipos de capas
• Materiales de pavimentación – resistencia, módulos
Datos de Clima
Datos de Clima
Importación de datos de estaciones meteorológicas
• Longitud, Latitud, Elevación, Nivel Freático
Se pueden generar con interpolación
Perfiles de temperatura y humedad son modelados con el EICM (Enhanced Integrated Climate Model)
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Datos de la Estructura Estructura – Conformación de Capas
Datos de cada capa, su espesor y características detalladas de cada capa y del diseño
• Propiedades del concreto, de la mezcla, resistencia
• Propiedades fisico/mecánicas de las capas de base, fricción, erosión
• Espaciamiento de juntas, dovelas, sello, hombros, sobre anchos,
Modelos de Respuesta Estructural
Ayuda a determinar respuesta del pavimento como función de la carga aplicada (tráfico o ambiente)
• Esfuerzo
• Deformación
• Deflexión
Componentes Clave en el Diseño M - E
• Datos de Entrada
• Modelos de Respuesta Estructural
• Predicción de Desempeño
• Criterios de Falla
• Confiabilidad del Diseño
Indicadores Clave de Desempeño de
Pavimentos Concreto
Pavimentos de Concreto Simple (JPCP)
• Escalonamiento
• Agrietamiento transversal – abajo-arriba
• Agrietamiento transversal – arriba-abajo
• Calidad de rodadura (Rugosidad)
Pavimentos de Concreto Continuamente Reforzados (CRCP)
• Perforaciones (Punchouts)
• Calidad de rodadura (Rugosidad)
Escalonamiento
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Agrietamiento Transversal Perforaciones (Punchouts)
Calidad de Rodadura del Pavimento
Velocidad = 80 km/h
Perfil
Medido 𝑰𝑹𝑰 =
(𝑫𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂 𝑽𝒆𝒓𝒕𝒊𝒄𝒂𝒍)
𝑫𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂 𝑯𝒐𝒓𝒊𝒛𝒐𝒏𝒕𝒂𝒍
Algoritmo
Índice de Rugosidad Internacional (IRI)
Funciones de Transferencia
o Modelos de Deterioro
Existen múltiples funciones de transferencia para predecir la mayoría de deterioros identificados en los pavimentos
Las funciones de transferencia pueden clasificarse en categorías
• Basadas en daños por fatiga
• Modelos directos de predicción de deterioro
Acumulación Incremental del Daño
“Daño” modelado en el tiempo, como en la naturaleza – incrementalmente
• Se divide el periodo de diseño en incrementos (años, estaciones, entre día/noche)
Cambios en el tiempo son tratados y monitoreados
• Resistencia de materiales, humedad/temperatura estacional, variaciones de tráfico, etc.
Da
ño
Tiempo
Predicción de la Calidad de Rodadura
No existen modelos mecanicistas que predigan la rugosidad del pavimento
IRI se predice actualmente basado en la combinación de:
• IRI inicial
• Cambios en el deterioro
• Efectos de las actividades de mantenimiento
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Componentes Clave en el Diseño M - E
• Datos de Entrada
• Modelos de Respuesta Estructural
• Predicción de Desempeño
• Criterios de Falla
• Confiabilidad del Diseño
Criterios de Falla
El éxito o fracaso del diseño a probar, se determina chequeando el deterioro predicho y la rugosidad, contra los criterios del dueño de la vía
El diseño podría fallar si:
• El deterioro predicho es mayor que el permitido
• La rugosidad predicha es inaceptable
Componentes Clave en el Diseño M - E
• Datos de Entrada
• Modelos de Respuesta Estructural
• Predicción de Desempeño
• Criterios de Falla
• Confiabilidad del Diseño
Confiabilidad del Diseño
Prácticamente todo lo asociado con diseño de pavimentos es variable
• Variabilidad en los datos promedio de entrada – tráfico, materiales, sub-rasante, clima, etc.
• Error en el desempeño de los modelos de predicción
En diseños M-E, cada variable puede modelarse por separado o se puede agrupar y aplicar como factor de ajuste
Análisis y Resultados Resultados – Compilación de Datos
Ingresados + Deterioros
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Análisis y Resultados Resumen
Diseño M-E “amarra” la respuesta estructural del pavimento con su desempeño
Deterioro del pavimento y su rugosidad son los indicadores clave de desempeño
Los criterios de falla se basan en deterioros individuales o en la rugosidad
El objetivo primordial del diseño M-E es mantener los deterioros claves y calidad de rodadura en niveles óptimos
Método AASHTO 93
PCA
AASHTO M-E
Ejemplo Comparativo Ejemplo Comparativo – Resultados (mm)
1 MM
ESALs
70
ADTT
5 MM
ESALs
360
ADTT
10 MM
ESALs
700
ADTT
15 MM
ESALs
950
ADTT
AASHTO
’93 150 210 230 250
PCA 165 200 220 220
AASHTO
M-E 150 180 190 190
Ejemplo Comparativo – Resultados (mm)
100
120
140
160
180
200
220
240
260
1 5 10 15
Es
pe
so
r (m
m)
Millones de ESALs
AASHTO '93
PCA
AASHTO M-E
Hacia el Futuro
Métodos de diseño en constante evolución
Estado de la práctica: diseños M-E y la predicción de deterioros
Optimización de espesores de carpeta … pero, eso no basta
Elegir metodología que mejor se adapte a condiciones locales