Análisis de métodos de diseño de pavimentos de adoquines de hormigón

7/23/2019 Análisis de métodos de diseño de pavimentos de adoquines de hormigón

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2013, 12(3) 17- 26 [ Bahamondes, R. – Echaveguren, T. – Vargas, S. ] Revista de la Construcción

Journal of Construction

Análisis de métodos de diseo de !avimentos de ado"uines de

hormig#nBahamondes, R. – Echaveguren, T. – Vargas, S.

Assessment of pavement concrete blocks design methods

Rodrigo Bahamondes (Autor Principal)

[email protected] de Concepción, acultad de !ngenier"a

#epto. de !ng. Civil, Chile

ono $%&''**+&+, a- $%&''**++/0

1dmundo 2arenas *0, Concepción, Chile

Tomás Echaveguren (Autor 3ficial de Contacto)

Universidad de Concepción, Chile

[email protected]

Sergio Vargas$Te%eda

Universidad del 4"o 4"o, [email protected]

&#digo5 ++0*

'echa de Ace!taci#n( + de diciembre de *+

Resumen

2os pavimentos de ado6uines de hormigón (PA7) se utili8an como unasolución alternativa a los pavimentos tradicionales para cal8adas

vehiculares de ba9a velocidad. 1n este traba9o se anali8aron los

m:todos de dise;o de PA7 propuestos en Australia, <apón, 1stados

Unidos, =eino Unido e !ndia. >e utili8ó un rango de C4= de la sub'

rasante entre ? *+? niveles de trnsito entre %.+++ .%++.+++

e9es e6uivalentes acumulados. 2uego se estimaron como parmetros

de desempe;o tensiones, deformaciones defle-iones de la sub'

rasante, las 6ue se contrastaron con valores admisibles. 2os resultados

mostraron 6ue para C4=B+? niveles de trnsito ba9os, todos los

dise;os convergieron a un dise;o m"nimo 6ue cumplió adems con los

parmetros de desempe;o utili8ados. >e determinó 6ue para niveles

maores de trnsito C4=+?, los m:todos del =eino Unido <apón

proporcionan los me9ores desempe;os.

A)stract

Dhe pavements of concrete pavers (PA7) are used as an alternative totraditional paving of loE speed driveEas. Dhis paper anal8e the PA7

design methods proposed in Australia, <apan, United >tates, United

Fingdom and !ndia. A range of C4= subgrade betEeen ? and *+? and

traffic levels betEeen %,+++ and ,%++,+++ cumulative e6uivalent

a-les Eere used. Dhe performance parameters for design Eere the

stresses, strains and deflections of the subgrade, Ehich Eere compared

Eith alloEable values. =esults shoEed that for C4=B +? and loE

traffic levels, all designs converged to a minimum design and also

accomplished Eith the performance parameters used in this research.

!t Eas determined that higher levels of traffic and C4= +?, the

methods of the United Fingdom and <apan provides the best

performance.

*e+ords( pavement designG concrete blocksG stress, strains, deflections

-ntroducci#n

2os pavimentos representan una parte importante de los

activos viales. #eben ser capaces de soportar solicitaciones de

trnsito, ambientales proveer una estructura durable 6ue

permita la circulación de los veh"culos con comodidad

seguridad. 1n el dise;o de pavimentos tradicionalmente se han

usado tecnolog"as de dise;o basadas en pavimentos r"gidos

fle-ibles, masificados en todo el mundo a partir del ensao

AA>73 reali8ado en 0%& en 1stados Unidos (AA>7D3, 00).

2os pavimentos de ado6uines han estado presentes en la

ingenier"a de pavimentos desde la :poca del !mperio romano.

Pero no es sino hasta la d:cada de 0+ en donde comien8a a

masificarse el uso de ado6uines de hormigón

estacionamientos, cal8adas vehiculares, peatonales espacios

pHblicos. 1sto llevó a 6ue diversos pa"ses iniciaran la

investigación en busca de sus propios m:todos de dise;o de

pavimentos de ado6uines. 1ntre ellos 7olanda, Australia el

=eino Unido. 1n la actualidad e-isten alrededor de * m:todos

de dise;o (Iorrish, 0/+G Iiura et al., 0/G =ollings, 0/G7ouben et al., 0/&G Clifford, 0/G 2ivneh et al., 0//G

1isenmann J 2ekauf, 0//G =ada et al., 00+G <udcki et al.,

00&G >ilfEerbrand J KLppling, *+++G 4>!, *++aG 4>!, *++bG

=ntathiang et al., *++&).

2os pa"ses 6ue no cuentan con un m:todo de dise;o propio se

ven en la necesidad de adoptar algunos de estos m:todos. 1sto

no necesariamente garanti8a su valide8 al aplicarlo ba9o

condiciones distintas a a6uellas donde el m:todo fue

desarrollado calibrado, ni tampoco asegura un desempe;o

adecuado del pavimento. Por tanto, una de las tareas

esenciales previas a la adopción de un m:todo de dise;o es

e-plorar los resultados de dise;o frente a condiciones locales ,

a la ve8, evaluar de una forma sistemtica su desempe;o

potencial. 1sto constitue una primera etapa en el camino

hacia una calibración local de un m:todo de dise;o.

1ste art"culo tiene por ob9etivo e-plorar los m:todos de dise;o

de pavimentos de ado6uines ms relevantes del estado del

arte, para as" evaluar el desempe;o potencial ante diversos

escenarios de dise;o emitir as" recomendaciones orientadas a

la futura calibración de un m:todo de dise;o de pavimentos deado6uines. Para ello, en primer lugar se describen los

componentes comportamiento estructural de los pavimentos

de ado6uines de hormigón. 2uego se describen los m:todos de



[ 18



dise;o de Australia, <apón, 1stados Unidos, =eino Unido e !ndia

con las consideraciones supuestos de cada uno para modelar

dise;ar. Posteriormente se utili8ó cada m:todo de dise;o

para obtener espesores de las capas granulares, para un total

de *% escenarios de dise;o dependientes del C4= de la sub'

rasante de la solicitación de trnsito. inalmente se reali8a un

anlisis del desempe;o de los dise;os obtenidos con los

diversos m:todos mediante un anlisis mecanicista.

os !avimentos de ado"uines de hormig#n

2os pavimentos de ado6uines se componen de distintas capas

al igual 6ue los pavimentos r"gidos fle-ibles. 2a principal

diferencia con estos Hltimos radica en la composición de la

carpeta de rodadura, 6ue est conformada por ado6uines

intertrabados, 6ue brindan al pavimento un comportamiento

estructural semifle-ible. #e este modo, los pavimentos de

ado6uines estn constituidos por una capa de ado6uines, arena

de 9untas, una cama de arena, base subbase (igura ).

Poseen tambi:n un borde de confinamiento 6ue contribue al

desarrollo del mecanismo de traba8ón mecnica.

'igura /. Elementos estructurales de un pavimento de adoquines (ASCE,

2010).

1l ado6u"n constitue la superficie de rodadura. >u espesor

var"a entre %+ ++ mm dependiendo de las solicitaciones de

carga (Iorrish, 0/+G 4>!, *++a). >u resistencia a la

compresión var"a entre *% % IPa (Iorrish, 0/+G A>C1,

*++). 2a arena de las 9untas se utili8a para rellenar los

intersticios entre ado6uines para favorecer la traba8ónmecnica entre las caras laterales. 1l espesor de los intersticios

var"a entre * % mm (Panda J Mosh, *++*). 2a cama de arena

es una superficie de nivelación para la instalación de los

ado6uines, cuo espesor var"a entre *+ + mm compactados

(=ada et al., 00+G >hackel et al., 00).

#urante la compactación, parte de la arena asciende entre las

9untas, con lo cual colabora con la traba8ón mecnica entre los

ado6uines. 2as capas de base subbase disipan las tensiones

producidas por las cargas de trnsito transmitidas desde la

carpeta de rodadura, de tal forma 6ue en la subrasante no se

superen las tensiones admisibles. 2a especificación chilena para

pavimentos carreteros recomienda un C4= m"nimo de /+?

para bases granulares un C4= m"nimo de +? para subbases

granulares (I3P, *+*). Para pavimentos urbanos, la

especificación chilena recomienda un C4= m"nimo de /+? para

bases granulares un C4= m"nimo de %? para subbases

granulares (I!NOU, *++/).

&om!ortamiento estructural de los !avimentos de

ado"uines

2os ado6uines, arena de 9untas cama de arena generan un

mecanismo de traba8ón mecnica entre los ado6uines

mediante el cual son capaces de disipar tensiones,

transmitiendo carga entre ado6uines adacentes. >hackel J

2im (*++) describen el mecanismo de traba8ón mecnica

como el resultado del efecto combinado de cu;a rotación 6ue

se produce entre ado6uines al ser cargados. 1n el efecto de

cu;a el ado6u"n cargado empu9a longitudinalmente los

ado6uines vecinos. 1l efecto de rotación, en tanto, hace girar

los ado6uines vecinos en torno a alguno o varios de sus e9es. 1n

ado6uines rectangulares se produce el efecto de cu;a o el

efecto combinado de cu;a rotación en el caso de ado6uines

de caras dentadas. A lo anterior se agrega el aporte de la

fricción entre las caras laterales de los ado6uines, inducido por

la arena en las 9untas.

3tro aspecto particular de los pavimentos de ado6uines es 6ue

la traba8ón mecnica aumenta con la aplicación de cargas

verticales hasta llegar a un nivel de e6uilibrio. 1ste se alcan8a

apro-imadamente despu:s de +.+++ repeticiones de carga de

un e9e estndar (e9es e6uivalentes acumulados, 11A) (7ouben

et al., 0/&G =ada et al., 00+). 1ste comportamiento tiene

asociado un aumento en la rigide8 de la carpeta de rodadura,

con lo cual aumenta su capacidad de disipar tensiones

consecuentemente disminuen las tensiones 6ue se transmiten

a las capas inferiores del pavimento. 7ouben et al. (0/&)

verificaron este aumento de la rigide8 a trav:s de mediciones

en tramos de prueba lo asociaron al comportamiento de las

deformaciones permanentes del pavimento. Propusieron un

modelo de progresión de las deformaciones permanentes en

función de 11A de /+ kN.

1l modelo de 7ouben et al. (0/&), plantea 6ue las

deformaciones elsticas mantienen un nivel constante mientras

se desarrolla la traba8ón mecnica, hasta 6ue alcan8an su nivelde e6uilibrio, lo cual ocurre cuando los e9es e6uivalentes

acumulados alcan8as un valor cr"tico 2uego las deformaciones

elsticas disminuen de manera progresiva. Asimismo, las

deformaciones permanentes aumentan a una tasa de

acumulación decreciente. 7ouben et al. (0/&) utili8aron su

modelo de progresión de las deformaciones permanentes para

proponer un m:todo de dise;o para las condiciones de suelo

materiales de 7olanda, usando como criterio de dise;o el

ahuellamiento en el pavimento. 3tros m:todos tambi:n

consideran la rigidi8ación de la carpeta de rodadura. =ada et al.

(00+), proponen el aumento en el valor del coeficiente

estructural hasta llegar a +.+++ 11A, a partir del cual dichocoeficiente permanece constante. >ilfEerbrand KLppling

(*+++) propusieron una progresión del módulo de elasticidad



[ 19



de la capa desde .%++ IPa hasta &.+++ IPa, valor 6ue se

alcan8a con +.+++ 11A.

0étodos de diseo de !avimentos de

ado"uines de hormig#n

2os m:todos de dise;o se clasifican en5 los basados en la

capacidad de soporte del suelo, m:todos emp"ricos, de

secciones normali8adas mecanicistas. 19emplos de m:todos

de dise;o segHn esta clasificación son los propuestos en

Australia (Iorrish, 0/+), <apón (Iiura et al., 0/), 1stados

Unidos (=ada et al., 00+), =eino Unido (4>!, *++a b) e !ndia

(=ntathiang et al., *++&). 2os m:todos basados en la capacidad

de soporte del suelo fueron los primeros en desarrollarse. 1l

clculo del espesor de la base (7b) para un cierto nivel de

trnsito, espesor de ado6u"n cama de arena, se reali8a en

función del C4= de la subrasante usando un modelo 6ue

relaciona linealmente el C4= 7b. #entro de este enfo6ue seencuentra el m:todo propuesto en Australia (Iorrish, 0/+)

adoptado en Chile (4arthou, 00) tambi:n el propuesto en

!srael (2ivneh et al., 0//).

#entro de los m:todos emp"ricos se encuentra el m:todo de

=ada et al. (00+), 6ue utili8a la ecuación AA>7D3 de dise;o de

pavimentos fle-ibles. 1ste m:todo se utili8a actualmente en

1stados Unidos (A>C1, *++). 1n <apón, Iiura et al. (0/)

propusieron un m:todo similar 6ue asume un comportamiento

asimilable al de pavimentos fle-ibles. 3tro de los enfo6ues de

dise;o es el mecanicista clsico, en el 6ue se calcula el estado

de tensiones el ciclo de fatiga del material en un sistema

multicapa, para as" determinar los espesores de las capas de

base o subbase 6ue cumplen con el criterio de fatiga. #entro

de estos m:todos se encuentran los de >uecia (>ilfEerbrand J

KLppling, *+++) e !ndia (=ntathiang et al., *++&). 1n los

m:todos de secciones normali8adas, el dise;o del espesor de

las capas del pavimento se reali8a en base a catlogos de

secciones tipo obtenidas previamente aplicando en forma

repetitiva m:todos de dise;o mecanicista, como es el caso de

Polonia (<udcki et al., 00&), >udfrica (Clifford, 0/),

Alemania (1isenmann J 2ekauf, 0//) =eino Unido (4>!,

*++a b).

0étodo de diseo de Australia

1ste m:todo utili8a curvas de dise;o calibradas para

condiciones locales. Considera cinco niveles de trnsito para

cal8ada vehicular (A, 4, C, # 1) dos niveles para trnsito

industrial (Q e R). Cada nivel de trnsito tiene asociada una

curva de dise;o, como muestra la igura *. Para determinar el

espesor de la base granular, se ingresa al grfico de la igura *

con el valor de C4= de la subrasante se intersecta la curva

correspondiente al nivel de trnsito de dise;o seleccionado. 1lresultado es el espesor m"nimo de la base granular. 1l m:todo

no utili8a indicadores de desempe;o, por lo 6ue se asume 6ue

el criterio de dise;o es la falla de la subrasante. 1l m:todo es

aplicable hasta una solicitación de .%++.+++ 11A.

'igura 1. Método de diseño australiano (Morris, 1!"0).

0étodo de diseo de 2a!#n

1ste m:todo adaptó el m:todo de dise;o de pavimentos

fle-ibles de <apón para dise;ar pavimentos de ado6uines a

trav:s del coeficiente de resistencia relativa de la capa de

ado6uines. Por tanto, asume 6ue el comportamiento de los

pavimentos de ado6uines es similar al de los pavimentos

fle-ibles. 1l m:todo establece 6ue tanto los materiales como el

espesor de cada capa deben satisfacer las ecuaciones , en las

cuales el espesor total del pavimento (7) est en función del

C4= de la subrasante del nHmero de pasadas e6uivalentes

acumuladas de un e9e estndar de 0/ kN (N0/). 1l espesor de

me8cla asfltica e6uivalente e-presado como nHmero

estructural (N1) est en función del C4= de N0/, se calcula

como la suma del producto de los espesores de capa h i por los

coeficiente de resistencia relativa del material (a i). 1l

coeficiente de resistencia relativa de la capa de ado6uines (a)

se obtiene en función del módulo de elasticidad del material dela capa SiT (1i, en kgcm

*) (Iiura et al., 0/).

0,1 0,1698 98

0,6 0,3

N NH=28 NE=3,84

CBR CBRG

1 1 2 2 n n i iNE=a h +a h +....+a h = ah∑ ()

0,46

i1

Ea =0,00525

0,44



[ 20



0étodo de diseo de Estados 3nidos

1l m:todo fue propuesto originalmente por =ada et al. (00+).

Al igual 6ue el m:todo 9apon:s, este m:todo asume 6ue un

pavimento de ado6uines tiene un comportamiento similar al de

un pavimento fle-ible. Por tanto, asume 6ue la p:rdida de

serviciabilidad del pavimento de ado6u"n se puede asimilar a la

de un pavimento fle-ible. #e este modo, utili8a la ecuación

AA>7D3 0/& (1cuación *) para pavimentos fle-ibles,

caracteri8ando a los ado6uines mediante el coeficiente

estructural de Dakeshita (Iiura et al., 0/).

R 0

1

β- (16,4+Z S )9,36 2,32 i f

80 R

i

p -pN =(NE+24,5) 10 M

p -1,5

(*)

5,1997,81

β =0 ,4+NE+25,4

()

1n la ecuación * N/+ es función de N1, del coeficiente

estad"stico de la distribución normal (=), de la desviación

estndar del error combinado de todas las variables (> +), del

módulo resiliente de la subrasante (I=, en IPa), del "ndice de

serviciabilidad inicial final del pavimento (p i pf

respectivamente). 1l m:todo considera el aporte estructural de

la capa combinada de ado6uines cama de arena a trav:s del

coeficiente de capa (a), el cual depende del módulo de

elasticidad, del nivel de trnsito, del tiempo de asentamiento.

1ste coeficiente aumenta linealmente desde +,*& hasta +,,

cuando la solicitación alcan8a las +.+++ 11A. A partir de ese

valor de solicitaciones el coeficiente de capa permanece

constante vale +,.

0étodo de diseo de -ndia

1ste m:todo considera el pavimento de ado6uines como un

sistema multicapa elstico. Cada capa de espesor (h i) se

caracteri8a a trav:s del módulo de elasticidad (1i) del módulo

de Poisson. =ntathiang et al. (*++&), mediante ensaos de

placa de carga, estimaron el módulo de elasticidad de la capa

de ado6uines en .%++ IPa. 1l módulo de elasticidad de las

capas de base sub'base granulares la estiman aplicando las

1c. , en las cuales primero se relaciona el módulo de

elasticidad de la capa superior e inferior 1 i$ 1i (en IPa) con el

espesor de la capa inferior (h, en mm) (=ead J Khiteoak,

*++). 2uego el módulo resiliente de la sub'rasante lo estiman

en función de las caracter"sticas mecnicas de todas las capas,

para posteriormente calcular el estado de tensiones de la sub'

rasante. 2uego determina el nHmero de repeticiones de carga

de /+ kN (N/+) 6ue admite el pavimento tal 6ue la deformación

de la subrasante (V8) no e-ceda los *+ mm.

0étodo de diseo del Reino 3nido

1ste m:todo posee tabulados espesores de base subbase en

función de las solicitaciones de trnsito C4= (Dablas *

respectivamente). 1stos espesores los obtuvieron en base a un

anlisis mecanicista en cual estandari8aron los materiales de la

base de modo tal 6ue reducir hasta un valor admisible

preestablecido las deformaciones permanentes. 1l m:todo

considera bases granulares me9oradas con cemento pero con

una resistencia a la compresión similar a la de hormigones

ligeros 6ue en general son superiores a los & IPa). Para

obtener el espesor e6uivalente a bases de otro material, se

multiplica por un factor de e6uivalencia 6ue es igual a para

bases granulares con C4=W/+ ? (Fnapton, *++/).

Ta)la /. 1spesor de la base (adaptado de 4>!, *++b)

1spesor de

capa (mm)

1spesor (mm) de la base granular segHn trnsito

(11A-+&)

+,% X ,% ,% X ,+ ,+X /,+ /,+X *,+

4ase granular 0+ 0+ X /+ %+ &0+ X%+

4ase tratadacon cemento

+ + X&+ /+ *+ X *%+

Ta)la 1. Espesor de la su#$#ase (adaptado de %S&, 2001a)

Nivel de

trnsito

(11d"a)

1spesor (mm) de la subbase granular segHn el C4= (?) de

la subrasante

* %X+ +X% %X+

&+ *%+ 0+ &+ %+ %+ %+

*++ + *+ *+ /+ %+ %+

%++ %+ *+ *+ *++ &+ %+

.+++ ++ + *+ **% /+ %+

B .+++ %+ %+ + *+ *+ **%

4iseo de estructuras de !avimento

>e dise;aron distintas estructuras de pavimento usando los

m:todos de dise;o antes descritos compararlos. Para esto se

caracteri8aron los materiales de las capas del pavimento se

definieron los escenarios de dise;o compatibles para todos los

m:todos, de acuerdo a los espacios de inferencia de las

variables de entrada. 2a Dabla resume las caracter"sticas de

los materiales, niveles de solicitación de trnsito criterios de

dise;o de los m:todos estudiados. 1stos m:todos poseen

espacios de inferencia comunes en cuanto a niveles de trnsito,capacidad de soporte del suelo, materiales presencia de capas

de base la subbase. Por lo tanto, los dise;os ba9o dichas

condiciones son comparables entre s".

0,45

i+1 iE = 0,2h E

≤

R 0,65

10(CBR) ; CBR 5%M =

; CBR > 5%17,6(CBR)

-7

80 4,5337

z

3,06×10N =

ε



[ 21



Ta)la 5. Caracteri'acin de los métodos de diseño estudiados (uente* Ela#oracin +ropia, 2012).

I:todo1structuración

Drnsito (11A)-+& Criterio de dise;o

1spesor del ado6u"n (mm) 4ase >ubbase

Australia &+, %, /+ ++ Mranular >in subbase ,% >in información

<apón &+,/+,++

Mranular

Dratada con cemento

Dratada con asfalto

Mranular

Dratada con cemento >in !nformaciónAhuellamiento

,% cm

1stadosUnidos

/+ ++

Mranular

Dratada con cemento

Dratada con asfalto

Mranular

Dratada con cemento

Dratada con asfalto

I-imasolicitación segHn

AA>7D3 0/&

>erviciabilidadfinal de *,%

=eino Unido %+, &+, &% /+

Mranular

Dratada con cemento

Dratada con asfalto

Mranular

Dratada con cemento +,% X *#eformación de la sub'

rasante

!ndia /+ Mranular Mranular *,+#eformación admisible

de la sub'rasante

Estructuraci#n + materiales del !avimento

2as caracter"sticas de cada material se definieron de manera

6ue sean compatibles para todos los m:todos utili8ados. >e

adoptó un espesor de ado6u"n de /+ mm, con una resistencia a

la compresión de % IPa. A la capa de base granular se le

asignó un C4= de /+?. >e fi9ó un espesor m"nimo de base de %

mm de acuerdo a Iorrish (0/+) 2ivneh et al. (0//). >e

consideró Hnicamente un dise;o con base, puesto 6ue algunos

m:todos prescinden de la subbase granular. 2a subrasante se

caracteri8ó usando un C4= entre ? *+?. Oalores inferiores al

? corresponden a suelos orgnicos (37), arcillas de alta

plasticidad (C7) o limos de alta compresibilidad (I7) segHn el

sistema unificado de clasificación de suelos U>C>. Por otra

parte, para valores de C4= superiores al *+ ?, la capacidad de

soporte es suficientemente elevada como para 6ue los dise;os

conver9an a espesores m"nimos.

&álculo de es!esores de ca!as granulares

Para reali8ar los dise;os se construó la matri8 de dise;o de la

Dabla , segHn nivel de trnsito C4= de la subrasante,

obteni:ndose *% escenarios de dise;o. Para cada uno de ellos

se obtuvo el espesor de la capa granular. 1n el caso del m:todo

de Australia el espesor de la base granular se obtuvo

directamente de la igura *. 1n el caso del m:todo de <apón, seutili8aron la ecuación un coeficiente de resistencia relativa

de +,% (Iiura et al., 0/). Para el m:todo de 1stados Unidos

se utili8ó un coeficiente estructural de la base de +, (=ada et

al., 00+). 1n ambos casos se consideró una capa granular.

1n el caso del m:todo del =eino Unido se calcularon los

espesores de base de subbase usando las Dablas *.

Posteriormente se calculó el módulo de elasticidad de cada

capa granular usando la ecuación . Con estos resultados

mediante la 1c. la subbase granular se llevó a un espesor de

base e6uivalente. 1l m:todo de dise;o britnico calcula el

espesor de la base usando una base estandari8ada concontenido de cemento. Fnapton (*++/) recomienda amplificar

por dicho espesor para llevarlo a un espesor e6uivalente a

una capa granular. 2uego mediante la ecuación se calculó el

espesor e6uivalente de base granular en función del espesor de

la sub'base. 1n dicha ecuación, h* es el espesor e6uivalente de

la base granular respecto a la capa h de la subbase, 1 1*, son

los módulos de elasticidad de la base la subbase Y, Y*

corresponden al módulo de Poisson de las mismas capas.

Ta)la 6. Escenarios de diseño se-n nivel de trnsito / C% (uente*

Ela#oracin +ropia, 2012).

C4=

(?)

Niveles de Drnsito (11A+)

% + %+ .++ .%++

C N C N* C N C N C N%

& C& N C& N* C& N C& N C& N%

/ C/ N C/ N* C/ N C/ N C/ N%

+ C+ N C+ N* C+ N C+ N C+ N%

*+ C*+ N C*+ N* C*+ N C*+ N C*+ N%

2

1 23

2 1 1

2 1

E 1-µh =h

E 1-µ ()

Para el caso del m:todo de dise;o de !ndia, el dise;o

mecanicista se reali8ó usando las ecuaciones . >e consideró un

espesor de base inicial de % mm para luego mediante

iteraciones estimar la deformación vertical de la sub'rasante,

verificar el criterio de dise;o usando la ecuación de clculo de

N/+. #e no cumplirse, se aumentó progresivamente el espesorde la base granular en + mm hasta cumplir con el criterio de

dise;o. 1n la igura a (trnsito Sba9oT) se identifican los

siguientes comportamientos5 para valores de C4= inferiores a

+?, e-ceptuando el m:todo britnico, los espesores divergen

conforme el C4= disminue hasta un valor m-imo de +% mm

para un C4= del ?. 2o contrario ocurre para C4= maores al

+?, donde los espesores convergen hacia el espesor m"nimo

de % mm. Por tanto, cuando la capacidad de soporte de la sub'

rasante es elevada, dise;ar con uno u otro m:todo es

indiferente. Por su parte, el m:todo britnico estima un

espesor constante de *+ mm a partir del C4= del &?, lo cual se

e-plica por el hecho 6ue la normativa 4>! recomienda el uso de

bases subbases lo cual incrementa los espesores.



[ 22



1n la igura b (trnsito SmedioT) se visuali8an

comportamientos similares a los observados en la igura a.

Para C4= inferiores al +? e-ceptuando el m:todo britnico,

los espesores divergen a medida 6ue el C4= es menor, hasta un

valor m-imo de %+ mm para un C4= del ?. 1n tanto 6ue

para C4= maores al +?, la convergencia de los espesores es

maor a medida 6ue el C4= aumenta, hasta alcan8ar la

convergencia total para un C4= del *+? con el dise;o m"nimo

de % mm. Para el escenario de trnsito SaltoT (igura c), los

dise;os se comportan de manera distinta al resto de niveles de

trnsito anali8ados.

1n efecto, los m:todos de Australia e !ndia convergen a los

mismos resultados, obteni:ndose en ambos casos espesores

sistemticamente inferiores en apro-imadamente 0+ mm **+

mm respecto de los m:todos de 1stados Unidos <apón

respectivamente, para un C4= de ?. 2os espesores obtenidos

mediante el m:todo britnico se encuentran sistemticamente

por sobre el resto de los m:todos. 1sto se debe a 6ue el factor

de amplificación para bases granulares utili8ado en el m:todo

del =eino Unido aumenta notoriamente el espesor de la base

granular respecto de los otros m:todos de dise;o, para todo el

rango de calidades de subrasante niveles de trnsito.

Análisis del estado de tensiones

Con los dise;os obtenidos en la sección anterior, se evaluaron

las tensiones, deformaciones defle-iones de la subrasante

debido a la aplicación de la carga de rueda de un e9e estndar.

1sto con el ob9etivo de contar con indicadores cuantitativos deldesempe;o de los dise;os reali8ados con cada m:todo poder

as" contrastarlos.

7rocedimiento de análisis

2os pavimentos dise;ados se modelaron como sistemas

elsticos multicapas, mediante el softEare 4!>A= O .+ para el

dise;o mecanicista de pavimentos fle-ibles. 2os supuestos del

anlisis fueron los siguientes5 (a) cada sistema consta de capas

hori8ontales de espesor uniforme, (b) las capas se e-tienden

infinitamente en direcciones hori8ontales, (c) el material decada capa es homog:neo e isotrópico, (d) los materiales son

elsticos tienen una relación lineal entre tensión

deformación, (e ) la carga sobre el sistema se aplica en la capa

superior sobre superficies circulares con presión uniforme

sobre dicha rea (f), la cama de arena no produce aporte

estructural, por lo 6ue no se incluó en la estructura del

pavimento. 2a Dabla % resume las propiedades de los materiales

empleados en el anlisis mecanicista. 2a solicitación de trnsito

se caracteri8ó mediante el e9e estndar5 e9e simple de rueda

doble, carga de rueda de *+ kN, presión de inflado de %*+ kPa

una distancia entre e9es de rueda doble de + cm. 2as

tensiones, deformaciones defle-iones se evaluaron en la sub'

rasante en el punto medio ba9o las ruedas del e9e estndar.

Ta)la 8. Caracteri'acin de las capas del pavimento (uente*

Ela#oracin +ropia, 2012).

Capa

Iódulo de elasticidad =a8ón de Poisson

Oalor

(IPa)=eferencia Oalor =eferencia

Ado6uines %++ >hackel (*+++) +,+<udick et al.

(00&)

Cama de

arena

>in aporte

estructural>hackel (0/+)

>in aporte

estructural>hackel (0/+)

4ase

granular

1cuación

>hell=ees (*++) +,%

<udick et al.

(00&)

>ub'

rasante

Iódulo

=esiliente

=ntathiang et

al. (*++&)+,%

=ntathiang et

al. (*++&)

Tensi#n de com!resi#n en la su)$rasante

1n las iguras a, b c se muestran las tensiones de

compresión calculadas de acuerdo a la metodolog"a antes

descrita. >e inclue la tensión admisible de compresión de la

subrasante (Zadm en IPa) propuesta por Armi9os (*+). 1stas

tensiones admisibles var"an entre +,+ IPa para C4= del ?

+,* IPa para un C4= del *+?. 2os resultados muestran 6ue de

manera sistemtica los dise;os del m:todo britnico presentan

los menores niveles de compresión de la subrasante se

encuentran siempre ba9o los resultados obtenidos por el resto

de los m:todos adems ba9o los valores admisibles. Para

todos los niveles de trnsito estudiados este m:todo mantiene

las tensiones de compresión prcticamente constantes para

cual6uier valor de C4= con un valor m-imo de +,+% IPa paratrnsito Sba9oT, SmedioT +,+ IPa para trnsito SaltoT.

1n el nivel de trnsito Sba9oT (igura a) se aprecia 6ue para

C4= inferiores al 0?, con e-cepción del m:todo britnico, los

dems m:todos sobrepasan los niveles admisibles de

compresión de la subrasante. 3curre lo contrario para C4=

maores al 0?, donde las tensiones obtenidas se encuentran

por deba9o de la tensión admisible. Adems se observa 6ue a

partir de un C4= del +?, las tensiones obtenidas convergen a

+, IPa, e-ceptuando el modelo del =eino Unido, en el cual la

tensión m-ima obtenida alcan8ó los +,+& IPa.

Para niveles de trnsito SmedioT (igura b), las tensiones

obtenidas en los dise;os reali8ados segHn los m:todos del

=eino Unido, <apón 1stados Unidos, se encuentran por deba9o

de las tensiones admisibles en todo el rango de valores de C4=.

1sto no ocurre con los m:todos de Australia e !ndia, los cuales

presentan resultados mi-tos en 6ue5 para C4= menores al 0?

las tensiones estn sobre los valores admisibles para C4=

maores a 0? los resultados se encuentran por deba9o de la

tensión admisible. Para niveles de trnsito SaltoT (igura c) la

compresión en la subrasante obtenida para todos los m:todos

utili8ados para todo el rango de C4=, es inferior a los niveles

admisibles.



[ 23



'igura 5. Espesor de #ase ranular para nivel de trnsito (a) #ao, (#)

medio / (c) alto (uente* Ela#oracin +ropia, 2012).

4e9ormaci#n vertical de la su)rasante

1n las iguras %a, %b %c se grafican las deformaciones elsticas

en la subrasante calculadas con el softEare 4!>A= O.+.

Adems se inclue la deformación admisible de la sub'rasante

(Vadm) propuesta por >hell (=ees, *++). Para los valores

caracter"sticos de cada nivel de trnsito anali8ado, la ecuación %

arro9a deformaciones admisibles entre +,& ,0 -+'

mmmm.

2os resultados muestran 6ue para los tres niveles de trnsito

anali8ados, los pavimentos dise;ados con el m:todo britnico

presentan deformaciones inferiores a los obtenidos usando los

dems m:todos de dise;o, e inferiores a los valores admisibles

calculados con la ecuación %5 ,0-+'

, ,-+'

+,&-+'

mmmm para niveles de trnsito Sba9oT (igura %a), SmedioT

(igura %b) SaltoT (igura %c) respectivamente.

'igura 6. Compresin en la su#$rasante para trnsito (a) #ao, (#) medio

/ (c) alto (uente* Ela#oracin +ropia, 2012).

1n el m:todo de <apón se observa 6ue tanto para el nivel de

trnsito SmedioT como para el SaltoT, las deformaciones

presentan un comportamiento estable cercano al valor

admisible para todo el rango de C4= usado en el dise;o. Para el

nivel de trnsito SmedioT la deformación m-ima es de ,-+'

mmmm para C4= ? la m"nima es de -+'

mmmm para

C4= *+?. Para el trnsito SaltoT, la deformación es

prcticamente constante en torno al +,&-+'

mmmm. Para el

nivel de trnsito SmedioT los resultados para C4= inferiores al

0? en todos los m:todos con e-cepción del britnico, las

deformaciones obtenidas se encuentran por sobre el nivel

admisible. >olo para C4= del *+?, las deformaciones se

mantienen ba9o el nivel admisible en todos los m:todos. >imilar



[ 24



es el comportamiento en el nivel de trnsito SaltoT, en el cual la

deformación admisible es sobrepasada por todos los dise;os

e-cepto por a6uellos elaborados con el m:todo britnico.

'igura 8. e3ormacin en la su#$rasante para trnsito (a) #ao, (#)

medio / (c) alto (uente* Ela#oracin +ropia, 2012).

(%)

(&)

4e9le:i#n de la su)rasante

1n las iguras &a, &b &c se muestra la defle-ión elstica en la

sub'rasante calculada para cada m:todo de dise;o la

defle-ión admisible ([adm, en mmmm -+'

), calculada con la

1c. &.

'igura ;. e3le4in de la su#$rasante para trnsito (a) #ao, (#) medio /

(c) alto (uente* Ela#oracin +ropia, 2012).

Para nivel de trnsito Sba9oT (igura &a), los dise;os obtenidos

por todos los modelos, se encuentran por deba9o del niveladmisible. >e alcan8a un m-imo entre +, mm , mm para

un C4= del ? un m"nimo entre +, +,% mm para un C4= del

-0,25adm 80ε =0,028N

-0,2438

adm 80∆ =26,32202N



[ 25



*+?. Para nivel de trnsito SmedioT (igura &b), los dise;os

obtenidos por todos los modelos, se encuentran por deba9o del

l"mite admisible con e-cepción del m:todo australiano en el

cual para un C4= del ? alcan8a una defle-ión de ,* mm. Para

el nivel de trnsito SaltoT (igura &c) los m:todos de Australia e

!ndia e-ceden la defle-ión admisible cuando los C4= de la sub'

rasante son inferiores al /?. 1l resto de m:todos para C4=

sobre el ? e-hiben deformaciones inferiores a la admisible

un valor m"nimo entre +,% +,% mm para C4= del *+ ?. 1n

general, los resultados muestran 6ue los dise;os obtenidos con

el m:todo britnico presentan las menores defle-iones en

todos los niveles de trnsito en todo el rango de C4=

considerado en los dise;os. Adems son inferiores a los niveles

admisibles.

&onclusiones

1ste traba9o tuvo el propósito de anali8ar los m:todos de

dise;o de pavimentos de ado6uines de hormigón propuestos

en Australia, <apón, 1stados Unidos, =eino Unido e !ndia. >e

obtuvieron los espesores de base granular con cada uno de los

m:todos citados para *% escenarios de dise;o se evaluó el

desempe;o de cada pavimento usando un enfo6ue

mecanicista, en cual se anali8aron las tensiones, deformaciones

defle-iones. >e concluó 6ue el m:todo britnico permite

obtener dise;os con espesores maores al resto de los

m:todos anali8ados dentro del rango de C4= entre ? +?,

pero con un desempe;o sustancialmente superior al 6ue se

logra con el resto de m:todos de dise;o. 1n segundo lugar se

encuentra el m:todo <apon:s el cual cumple con la maor"a delos criterios de desempe;o para todos los niveles de trnsito

C4= anali8ados.

Cuando la subrasante e-istente posee un C4= B + ?, todos los

m:todos de dise;o arro9an espesores iguales al m"nimo con

un buen desempe;o. 1s decir, tensiones, deformaciones

defle-iones se encuentran ba9o los valores admisibles. Por

tanto, proectar un pavimento con cual6uier m:todo de dise;o

subrasantes de buena calidad, lleva a dise;o m"nimo de buen

desempe;o, independientemente del m:todo. 2a maor

variabilidad en espesores desempe;o, entre los m:todos

anali8ados ocurre cuando el C4= de la subrasante es inferior al+?. 1n esta caso, se puede llegar a diferencias de hasta *++

mm para los C4= ms ba9os para el nivel de trnsito ms ba9o.

1sta variabilidad en espesores aumenta conforme aumenta el

nivel de trnsito, pudiendo llegar hasta los ++ mm.

2a elección de uno u otro m:todo de dise;o lleva a grandes

diferencias en espesores, pero el impacto final sobre el

pavimento se ver refle9ado esencialmente en el desempe;o.

1n este sentido, si bien el m:todo britnico proporciona

maores espesores, posee un desempe;o sustancialmente

superior 6ue resto de m:todos en t:rminos de tensiones,

deformaciones defle-iones en la subrasante. 1l m:todo

britnico posee venta9as respecto de los otros m:todos

anali8ados para solicitaciones de trnsito elevadas. Por el

contario, para solicitaciones de trnsito ba9as puede sobre'

estimar espesores, pero asegurando en todo caso un buen

desempe;o.

1n este traba9o no se incluó un anlisis del factor de

e6uivalencia de bases utili8ado por el m:todo de dise;o del

=eino Unido, el cual determina 6ue el espesor de una base

granular es veces superior a una base enri6uecida con

cemento. Puesto 6ue la magnitud de este factor depende de la

dosificación de cemento de su resistencia, es necesario

anali8ar la magnitud de dicho factor para bases tratadas con

cemento nacionales e6uivalentes en dosificación, determinar

su resistencia el efecto 6ue tendr"a en el dise;o de espesores

en el desempe;o del pavimento siguiendo el procedimiento

de anlisis empleado en este traba9o. Asimismo, no se

consideró el efecto de rigidi8ación del con9unto ado6u"n cama

de arena, el cual tiende a reducir las tensiones en la base. Por lo

tanto, para reali8ar un anlisis ms detallado de los m:todos de

dise;o se recomienda verificar las mismas estructuraciones

a6u" propuestas pero considerando diversos espesores de

ado6uines cama de arena, verificarlos mediante ensaos

estticos dinmicos de carga.

Re9erencias

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Análisis de métodos de diseño de pavimentos de adoquines de hormigón

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