UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 1 METODOS DE DISENO DE PAVIMENTOS RIGIDOS GENERALIDADES Por pruebas de campo se ha demostrado que los esfuerzos que las losas transmiten a suapoyo son inferiores a 0.35 k/cm2. Lo anterior induce que las losas por si solo estn en capacidad de soportar las solicitacionesimpuestas por el transito Lo anterior se cumple, si el apoyo es continuo y permanente. Estopermitiquemuchospavimentosseconstruyeransobreelterrenonatural,alosque se le han dado pendientes longitudinales y transversales necesarias. Algunos pavimentos construidos han perdido su funcionalidad, sin que muestrenningunos danos, pero se perdieron propiedades como: superficie cmoda, suave y segura. Las fallas en los pavimentos se pueden dar tanto por losa, como por soporte, por esto existe la necesidad de tenerlos en cuenta en el diseo UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 2 METODOS DE DISENO DE PAVIMENTOS RIGIDOS GENERALIDADES Los mtodos de diseo actual adems del espesor, debe abarcar aspectos relativos a las juntas y a los elementos que rodean el concreto, tales como subbase y bermas. La subbase, debe brindar un apoyo uniforme y permanente en el tiempo. Enlasubbase,sedebenespecificarmaterialesnobombeablesoconaltapermeabilidad, acompanados de sistemas de drenajes eficientes que permitan garantizar que el soporte no se erosione. NO ES SENCILLA LA RESPUESTA DE CMO SE DISEAN LOS PAVIMENTOS HIDRAULICOS? Existendiferentesmtodosyaproximacionesqueestablecencuandoelpavimentoesta fallando y/o cuando cumpli su vida til. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 3 METODOS DE DISEO DE PAVIMENTOS RIGIDOS GENERALIDADES El concepto de fallaque tiene el mtodo de la PCA (Prtland Cement Association) es muy diferente al que tiene el mtodo de la AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials). Para la PCA el pavimento ha cumplido su vida til, cuando se da la ruptura del concreto por fatiga por causa de repeticiones de cargas, para la AASHTO el cumplimiento de la vida til vaasociadoaunacalificacinmasomenossubjetivadelascaractersticasdelpavimento que se conoce como ndice de Servicio Final, el cual puede ser 2.5 o 3.5 o cualquier valor, porloqueelespesorvaadependerdelgradodedeterioroalquesedeseallegueel pavimento para proveer manejo seguro y confortable a los usuarios. Disearlospavimentosporvariosmtodosseobtienenespesoresdiferentes,sinquese pueda decir que hay una respuesta correcta y/o verdadera. Sepodradecirqueelmtodoesunadelasvariables,portantoserequierequeel consultor tenga el criterio suficiente al momento elegir el procedimiento de diseo. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 4 METODOS DE DISEO DE PAVIMENTOS RIGIDOS GENERALIDADES La aparicin de nuevos mtodos no es el acta de defuncin de los anteriores, es un aporte que se debe evaluar a la luz de los resultados que se han obtenido en los diseos realizados con los mtodos anteriores sean buenos o malos. Se podra decir que se tiene bien estudiado el comportamiento del concreto y de las losas, pero hay desconocimiento sobre la EROSION de los soportes. SobrelaErosinlasultimasrevisionesde losmtodoshacenaportes,cuyafuncionalidad se vera dentro de unos aos, cuando los pavimentos diseados muestren su bondad. Lasubbase,deberdisponersesiemprequelasubrasanteseplstica(IP>10)ypara asegurarsuadecuadacompactacinentiempolluvioso.Conestosereducentambinlas tensionesqueeltransitopuedecausarenobrasobrelasubrasante,locualpuedeser perjudicial. Las bermas, deben estar constituidas por materiales resistentes a la erosin o permeables UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 5 METODOS DE DISENO DE PAVIMENTOS RIGIDOS GENERALIDADES Encasoquelasbermasseandeconcreto,seconstituyenenunanotablecontribucin estructura. Losprimerosmtodosdediseoqueseusaronestabanbasadosexclusivamenteen consideracionesdefatigamecnica(Westergardysimilares),quedeterminabanmediante formulas matemticas el espesor y la calidad del concreto. Losprimerosmtodos,noincluyeronensusvariableslapresenciade:Gradientes Trmicos,Bermas,Pasadores,SoportesNoErosionables,DimensionesdelasLosas,etc., que influyen en el funcionamiento, esto llevo a hacer ajustes a los mtodos de diseo y con lacomputadoraserefinaronlosmtodosanalticosparaincorporaleslosfactores mencionados. Se debe ser cuidadoso en la eleccin del mtodo de diseo y de las variables que inciden, para evitar obtener pavimentos con espesores excesivos, pero tampoco deficientes. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 6 METODOS DE DISENO DE PAVIMENTOS RIGIDOS GENERALIDADES EL PROPOSITO DE LA PCA ES: Hallar espesores mnimos de pavimento, que se traduzcan en menores costos anuales Sisetomaunespesormayorqueelnecesario,elpavimentopresentarabuen comportamiento con bajos costos de mantenimiento, pero el costo inicial ser muy elevado, porelcontrarioserequerirunmantenimientoimportante,coninterrupcionesdeltransito prematuras y costosas que excedern la compensacin del menor costo inicial. ELCRITERIOSANO,ESQUESEDEBENELEGIRESPESORESDEDISEOQUE EQUILIBRENADECUADAMENTELOSCOSTOSINICIALESYLOSDE MANTENIMIENTO. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 7 METODOS DE DISENO DE PAVIMENTOS RIGIDOS METODO AASHTO Determinacin del Espesor del Pavimento Elfuncionamientodelospavimentossehacealaluzdelasmedicioneshechasenel ensayovialAASHTO.Laedicindeestemtodosebasaenlapublicacinrealizadaen 1986. Elmtodoenestaedicin,incluye:Parmetrosdediseodedrenajes,Presenciade bermas y la erosionabilidad de la base. EnelmtodoAASHTO,elespesordelpavimentosedeterminaconbaseenlasiguiente ecuacin: UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 8 METODO AASHTO ((((((

((

+++A+ + + =25 . 075 . 075 . 01046 . 8191010 10) / (38 . 709 . 0 51 . 1132 . 1 09 . 0 () 32 . 0 22 . 4 () 4 . 25 (10 25 . 11)5 . 1 5 . 4(39 . 10 ) 4 . 25 ( 35 . 7 82K ED xJD C MxLog PDxPSILogD Log S Z W Logcdx rt o rW82 Numero previsto de ejes equivalentes de 8.2 Ton (82 KN ) alo largo del periodo diseo Zr Desviacin Normal Estndar So Error estndar combinado en la prediccin del transito y en la variacin del comportamiento esperado del pavimento. D Espesor del pavimento de concreto (en mm). PSI Diferencia entre los ndices de servicio inicial y final. Pt ndice de servicio final. Mr Resistencia media del concreto (en Mpa) a flexotraccion a los 28 das (mtodo de carga en los tercios de la luz) Cd Coeficiente de transmisin de cargas en las juntas. Ec Modulo de elasticidad del concreto, en Mpa. K Modulo de reaccin, dado en Mpa/m de la superficie (base, subbase o subrasante) en la que se apoya el pavimento de concreto. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 9 METODO AASHTO Para facilitar el uso de la ecuacin, se ha preparado el Nomograma de la Figura 7 1.CALCULO DE W82 (EJES EQUIVALENTES DE 82 KN) A LO LARGO DEL PERIODO DE DISEO. El mtodo AASHTO, requiere de la transformacin de ejes simples equivalentes a 82 KN (18.000 Lbs) de los ejes de diferentes pesos que circulan sobre el pavimento a n aos. De las tablas 12 a 18, se puede calcular el factor de conversin para convertir cargas en ejes equivalentes. En las tablas 12 a 18, se tienen tres (3) ndices de servicio final ( Pt=2, 2.5, 3.0) y para cada uno de los ejes principales (Sencillo, Tandem y Tridem).Factor de Conversin: 1KN=0.22 Kips. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 10 Figura 7 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 11 Figura 7 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 12 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 13 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 14 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 15 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 16 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 17 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 18 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 19 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 20 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 21 METODO AASHTO PERIODO DE DISEO A ADOPTAR EN FUNCION DEL TIPO DE CARRETERA. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 22 METODO AASHTO UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 23 2. DESVIACIN NORMAL ESTNDAR Para un espesor del pavimento, el transito que puede soportar a lo largo del periodo de diseo sigue una ley de distribucin normal, con una media Mt y una desviacin tpica So, mediante la tabla de distribucin normal, se puede obtener Zr asociado a un nivel de confiabilidad R, de forma de que haya una probabilidad igual a 1-R/100 de que el transito realmente soportado sea inferior al valor ZrSo. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 24 METODO AASHTO 3.ERROR ESTNDAR COMBINADO So. La gua AASHTO, recomienda adoptar para So, valores comprendidos dentro de los siguientes intervalos: PAVIMENTOS RIGIDOS: 0.30 0.40, as:0.35 = Construccin nueva,0.40= Sobrecapas. PAVIMENTOS FLEXIBLES: 0.40 0.50, as: 0.45 = Construccin nueva 0.50 = Sobrecapas. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 25 El producto de ZrSo, realmente es un factor de seguridad aplicado a laestimacin del transito a travs de la siguiente ecuacin: FS=10-ZrSo UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 26 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 27 4.INDICE DE SERVICIO FINAL Pt y VARIACION PSI EN EL INDICE DE SERVICIO El ndice de servicio final Pt, se debe basar en el ndice mas bajo que pueda ser tolerado antes que sea necesario efectuar una rehabilitacin, un refuerzo o una reconstruccin. Se sugiere un valor 2.5 carreteras importantes y de 2.0 para carreteras menos importantes. En cuanto al ndice de servicio inicial (Po), este depende de la calidad de la construccin, se sugiere un valor medio de 4.5 en pavimentos de concreto y de 4.2 en los de asfalto. La variacin PSI = Po Pt. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 28 5. COEFICIENTE DE DRENAJE CD DEPENDE DE: Calidad del drenaje, que depende del tiempo en que tarda el agua infiltrada en ser evacuada del pavimento y el % de tiempo a lo largo del ano durante el cual el pavimento esta expuesto a niveles de humedad aproximndose a la satura- cion.El %, depende de la precipitacin anual y de las condiciones de drenajes. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 29 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 30 6.COEFICIENTE DE TRANSMISION DE CARGAS, J Este factor, se introduce para tener en cuenta: Capacidad del pavimento para transmitir las cargas a traves de las discontinuidades (juntas o grietas). El valor depende de: El tipo de pavimento (reforzado, en masa, etc.), el tipo de berma (de concreto unida al pavimento o de asfalto) La existencia o no de dispositivos de transmisin de cargas (pasadores en los pa vimentos con juntas, aceros con armados de refuerzo continuos). En funcion de los parmetros anteriores, en la grafica siguiente se indican los valores Del coeficiente J. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 31 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 32 7.MODULO DE ELASTICIDAD Ec DEL CONCRETO Para cargas instantneas, el valor del modulo de elasticidad Ec, puede considerarse Como aparece en la siguiente tabla, fc es la resistencia a la compresion del concreto, Y debe expresarse en Mpa o K/cm2 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 33 8.FACTOR DE PERDIDA DE SOPORTE Este parmetro indica la perdida de apoyo potencial de las losas, debido a la erosionabilidad de la subbase o bien a asentamientos diferenciales de la subrasante. En la tabla 30, se indican los valores recomendados, para distintos tipos de subbasesy bases. 9. MODULO DEREACCIN (K) DE LA SUPERFICIE EN LA QUE SE APOYA EL PAVIMENTO (o Modulo Efectivo de la Subrasante) En el caso de bases, subbases granulares. El CBR, el R o el resultado del ensayo Triaxial de Texas, se recomienda que su valor no sea 4 veces superior al de la Subrasante sobre la que se apoya. En el caso de bases tratadas con cemento, la resistencia a los 7 das. En el caso de bases asflticas, la estabilidad Marshall. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 34 Tabla 30. Valores del factor de perdida de soporte Ls en funcin del tipo de base y de Subbase UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 35 Es posible, que el modulo de Resiliencia de la Subrasante, pueda variar a lo largo del ano, para determinar el valor de K, se debe realizar un proceso iterativo, as: Se divide el ao enintervalos homogneos dentro de los cuales el coeficiente de variacin del modulo de resiliencia no sea superior a 0.15. El modulo de las bases y de las subbases, puede variar tambin a lolargo del ao. METDOLOGIA PARA CALCULO DE K a.Utilizando el Nomograma de la Figura 8, en el que intervienen las VARIABLES: (Modulo deResiliencia de la Subrasante, Espesor de la subbase, Coeficiente de elasticidad de la subbase Se obtiene el denominado Modulo de Reaccin Compuesto de la Subrasante. b.Si debajo de la Subrasante, existe un estrato de roca a < de 3 mts. De profundidad el modulo Compuesto, se corrige usando las curvas de la Figura 9. c. Se adopta un valor arbitrario para el espesor de la losa. d. Con la ayuda de la Figura 10, se obtiene el Deterioro Relativo Ur, para el espesor supuesto ylos distintos valores de K. e. Se calcula el promedio de los diferentes valores de Ur, y entrando de nuevo en la Figura 8, seel valor Medio del coeficiente K, para el mismo espesor. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 36 f. Por ultimo, se corrige el valor de K, en funcin de la perdida Ls de la subbase con ayuda de la Figura 11. 10.DETERMINACION DEL ESPESOR DEL PAVIMENTO Definidoslosdiferentesparmetrosdeentrada,seusalaECUACIONDECALCULOola Figura7yseobtieneelespesorrequeridodelalosa,estedeberedondearsealcentmetro mas prximo. Ver ejemplo Figura 7. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 37 Figura 8. Nomograma para determinar el Modulo de Reaccin Compuesto de la Subrasante, Superando una profundidad Infinita UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 38 Figura 9. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 39 Figura 10. Nomograma para determinar el deterioro relativo, Ur.UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 40 Figura 11. Nomograma para corregir el modulo de reaccion efectivo por perdida potencial de soporte de la subbase. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 41 EJEMPLO - ANALISIS DE SENSIBILIDAD K20 Mpa/mModulo de reaccion efectivo Ec35000 MpaModulo de elasticidad del concreto Mr4.6 MpaModulo de resistencia media del concreto a flexotraccion Cd1Coeficiente de drenaje So0.29Error estandar combinado n95%Confiabilidad PSI1.7Diferencia del Indice de Serviceabilidad Po4.2Valor inicial de serviceabilidad Pt2.5Valor Final de serviceabilidad PSIPo - Pt1.7 W825.1x106 KNNo. de ejes equivalentes de 8.2 Ton y/0 82 KN D250 mmEspesor calculado Consideracion 1. Bermas son de asfalto Juntas con dovelas. Consideracion 2: 1o. Bermas de concreto unidas al pavimento 2o. Juntas con dovelas El espesor se reduce a 220 mm Consideracion 3: 1o. Bermas de asfalto 2o. Juntas sin dovelas Ele espesor aumenta a 270 mm En el caso de disponerse de bermas de concreto unidas al pavimento, se puede disminuir el valor del coeficiente de transmision de carga J a 2.75, por tanto el espesor resultante del pavimento seria de 220 mm. En caso que se hubiesen conservado las bermas flexibles y suprimido los pasadores el valor del coeficiente de transmision de carga J a 4, por tanto el espesor resultante del pavimento seria de 270 mm. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 42 Consideracin 1. a. Bermas son de asfalto. b Juntas con dovelas Consideracin 2: a. Bermas de concreto unidas al pavimento. bJuntas con dovelas El espesor se reduce a 220 mm Consideracion 3: 1o. Bermas de asfalto 2o. Juntas sin dovelas Ele espesor aumenta a 270 mm En el caso de disponerse de bermas de concreto unidas al pavimento, se puede disminuir el valor del coeficiente de transmisin de carga J a 2.75, por tanto el espesor resultante del pavimento seria de 220 mm. En caso que se hubiesen conservado las bermas flexibles y suprimido los pasadores el valor del coeficiente de transmisin de carga J a 4, por tanto el espesor resultante del pavimento seria de 270 mm. UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 43 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 44 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 45 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 46 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 47 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 48 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 49 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 50 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 51 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 52 UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL 53 Bibliografa: Ingeniera de pavimentos para carreteras, Alfonso Montejo Conferencias para pavimentos, Carlos Benavides. Manual de la shell para diseo de pavimentos.