Diseno de Pavimentos Rigidos

JORNADAS DE ACTUALIZACIN TCNICA

DISEO DE PAVIMENTOS RGIDOSIng. Diego H. Calo

DIRECCIN NACIONAL DE VIALIDADSanta Fe, 3 ,4 y 5 de Julio de 2013

INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

NDICE DE LA PRESENTACIN2


Componentes Principales del Sistema

Junta LongitudinalJunta Transversal

SubrasanteSubbase o base

Espesor

Pasadores

Calzada de Hormign

Barras de Unin

3


4

Tensiones en Pavimentos Rgidos

Datos:

Espesor: 25 cm.

Largo: 4,50 m.

Ancho: 3,65 m.

T: 0C.

k: 150 MPa/m

Eje simple 100 KN


5


Datos:

Espesor: 25 cm.

Largo: 4,50 m.

Ancho: 3,65 m.

T: 0C.

Eje simple 100 kNK: 50 MPa/m

K: 100 MPa/m

K: 150 MPa/m


6Influencia de la Rigidez de apoyo en las tensiones generadas

Esubbase =

Esubbase = 0

Esubbase =

Esubbase = 0

Caso 1: Fundacin Perfectamente Rgida

Caso 2: Fundacin Muy Flexible

Debido a la rigidez de la fundacin, la carga no genera deflexiones ni tensiones en la losa.

Durante una carga medioambiental, la fundacin no acompaa la deformacin de la losa y se genera prdida de apoyo.

Debido a la falta de soporte la losa deflecta significativamente y se generan elevadas tensiones de flexin.

Durante una carga medioambiental, la fundacin acompaa la deformacin de la losa manteniendo su soporte.


7


Datos:

Espesor: 25 cm.

Largo: 4,50 m.

Ancho: 3,65 m.

T: 10C.

E: 35 GPa.

CET: 1,10 10-5 1/CK: 50 MPa/m

K: 100 MPa/m

K: 150 MPa/m


8

Deformaciones en Pavimentos RgidosDatos:

Espesor: 25 cm.

Largo: 4,50 m.

Ancho: 3,65 m.

T: 0C.

k: 150 MPa/m

Eje simple 100 KNCarga Interna - Dzmax: 0,144 mm (100%) Carga en Borde - Dzmax: 0,26 mm (180%)

Carga en Junta - Dzmax: 0,389 mm (270%) Carga en Esquina - Dzmax: 0,646 mm (450%)


9

Cundo es necesario una base?Existe riesgo de erosin por bombeo cuando

se presentan en forma simultnea las

siguientes condiciones:

Repeticiones reiteradas de cargaspesadas (camiones) capaces degenerar deflexiones importantes enjuntas y bordes de la calzada dehormign.

Disponibilidad de agua en la interfaselosa subbase banquina.

Una subrasante compuesta porsuelos finos o capaces de entrar ensuspensin.

Cuando en un pavimento determinado se prevea la eventual coexistencia de estos factores

el EMPLEO DE UNA SUBBASE NO EROSIONABLE ES DE CARCTER OBLIGATORIO.

Material Fino Erosionable

Trnsito Pesado

Agua Disponible

E


10

Descripcin: Movimiento del agua (con

material en suspensin) ubicada debajo de la

losa o su eyeccin hacia la superficie como

resultado de la presin generada por la accin

de las cargas.

Causas (deben coexistir):

Material fino capaz de entrar en suspensin

(arenas finas y limos).

Disponibilidad de agua en las capas inferiores

del pavimento.

Deflexiones excesivas en bordes y esquinas.

Erosin por Bombeo y Escalonamiento


11

Carga

AguaBase / Subbase

Losa anterior Losa posterior



12

Carga

Base / Subbase




13

Base / Subbase


Carga



14

Carga

Base / Subbase




15

Carga

Base / Subrasante


Escalonamiento


Acumulacin de finosErosin de material


16

Trnsito

Escalonamiento Inicial Banq. Externa

Juntas TransversalesJunta Longitud.

Banq. Externa

Incremento del escalonamiento

Banq. Externa

3ER ETAPA

2DA ETAPA

1ER ETAPA

Eyeccin de Finos

Eyeccin de Finos

Fisuracin Transversal



17

Resistencia a la ErosinClase Potencial de Erosin Tipo de Material

A Extremadamente Resistente a la erosinHormign pobre con 7% - 8% de cemento

concreto asfltico con 6% de asfalto.

B Resistente a la erosin Material granular tratado con 5% de cemento.

C Resistente a la erosin bajo ciertas condicionesMaterial granular elaborado en planta con 3,5%

de cemento o 3% de asfalto.

D Bastante erosionablesMaterial granular elaborado in situ con 2,5% de cemento; suelos finos tratados con cemento in

situ; Materiales granulares limpios, bien graduados y de buena calidad.

E Muy erosionables Materiales granulares contaminados no tratados; Suelos finos no estabilizados.


18

Bases granulares

Requisitos generales Espesor mnimo: 10 cm. Tamao mximo < 1/3 del espesor. P200 < 15%. Desgaste Los Angeles < 50%.

El criterio principal para emplear una subbase granular en un pavimento de hormign es el de limitar el contenido de finos que pasan el Tamiz #200.

Recomendaciones: No emplear espesores mayores de 15 cm. Deber especificarse una densidad mnima del 98% del T-180.

Si el material cuenta con excesivos contenidos de finos, la capa puede almacenar agua encontrndose disponible para la erosin por bombeo


19

Bases tratadas con cementoCaractersticas (ACPA):

Espesor mnimo: 10 cm.

Tipo de suelo recomendado para trnsito pesado:

A1, A2-4, A2-5 y A3 (ACPA).

Tamao mximo: 75 mm.

Durabilidad por congelamiento deshielo y

humedecimiento secado.

Contenidos de Cemento: de 2% a 5%.

Resistencia a compresin: de 2,1 a 5,5 MPa.

Resistencia a Flexin: de 0,7 MPa a 1,4 MPa.

Mdulo de elasticidad: 600.000 a 1.000.000 psi

(de 4100 a 6900 MPa).

Romper la adherencia con emulsin asfltica, film

de polietileno o dos capas de membrana en base

a parafina.


20

Bases de Hormign PobreRequisitos:


Resistencia a compresin de 5 MPa a 8 MPa.

Contenido de cemento de 120 a 200 kg/m3.

Contenido de aire de 6 a 8%.

Tamao mximo hasta de 25 a 50 mm.

Tolerancias: 6 mm en la regla de 3 m.

Pueden ser densas o drenantes (H poroso).

Recomendaciones constructivas:

En general no suele especificarse la ejecucin de

juntas en la subbase de hormign pobre.

Una terminacin lisa es conveniente (menor

friccin).

Se recomienda romper la adherencia con la

calzada mediante un film de polietileno.Subbase de Hormign Poroso


21

Bases tratadas con AsfaltoRequisitos:


Contenido de asfalto tpico: 4% 4,5%.

TM: 19 mm.

Tolerancias: 6 mm en la regla de 3 m.

Pueden ser densas o drenantes (A poroso).

Recomendaciones constructivas:

Los lineamientos constructivos corresponden a los

empleados para la ejecucin de cualquier capa

asfltica.

En verano mantener la cancha humedecida o

blanquearla (Riego de agua con cal.)


22

Con cordn integral, si el cordn se ejecuta en una

segunda etapa, no hay contribucin estructural

TRANSFERENCIA DE CARGA

D2 = 0

D1 = x

Mala Transferencia de Carga

Trabazn entre agregados

Pasadores

Banquina de hormign

Banquina Vinculada

Cordn Cuneta

Sobreancho de Carril

Es la capacidad de una losa de transferir su carga a una losa vecina

D1 = X/2 D2 = X/2

Buena Transferencia de Carga

Tienen un efecto similar


23Transferencia de Carga en Juntas Transversales

Trabazn entre agregados por debajo del aserrado primario


24Transferencia de Carga en Bordes de Calzada


25

Sobreancho de Calzada

Datos:

Espesor: 25 cm.

Largo: 4,50 m.

Ancho: 4,25 m.

T: 0C.

CET: 1,10 10-5 1/C

k: 150 MPa/m.

Eje Simple: 100 KN

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

0 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75Distancia al Borde, m

T

e

n

s

i

o

n

e

s

M

x

i

m

a

s

(

F

o

n

d

o

d

e

L

o

s

a

)

,

M

P

a

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

D

e

f

o

r

m

a

c

i

n

M

x

i

m

a

,

m

m

Tensiones - Carga en Borde

Deformaciones - Carga en Esquina


26

Influencia de la transferencia de Carga

Carga Interna - Dzmax: 0,134 mm (100%) En Esquina sin sob y sin pas - Dzmax: 0,506 mm (377%)

Datos:

Espesor: 25 cm.

Largo: 4,50 m.

Ancho: 4,25 m.

T: 0C.

E: 35 Gpa.

k: 150 MPa/m.

Eje Simple: 100 KN En Esquina sin sob y con pas - Dzmax: 0,350 mm (260%)


27

Influencia de la transferencia de Carga

Carga Interna - Dzmax: 0,134 mm (100%) En Esquina con sob y sin pas - Dzmax: 0,295 mm (220%)

Datos:

Espesor: 25 cm.

Largo: 4,50 m.

Ancho: 4,25 m.

T: 0C.

E: 35 Gpa.

k: 150 MPa/m.

Eje Simple: 100 KN En Esquina con sob y con pas - Dzmax: 0,216 mm (160%)


28

Mtodo de la Portland CementAssociation

Procedimiento Emprico- Mecanicista basado en

respuestas de pavimentos matemticamente

calculadas.

Calibrado con Ensayos de campo y rutas en servicio.

Lanzado originalmente en 1966 y revisado en 1984.

Limita las tensiones desarrolladas en el Pavimento

(Criterio de verificacin por fatiga). Limitante para

bajo trnsito pesado.

Limita las deflexiones desarrolladas en bordes y esquinas (Criterio de

verificacin por erosin). Limitante para elevado trnsito pesado.

Recientemente el ACPA ha lanzado una nueva versin para vas de Bajo Volumen

de Trnsito Pesado (ACPA StreetPave).


29

Ubicacin Crtica de Cargas

Posicin crtica de la carga paralas Tensiones de Flexin

Banquina de Hormign(si existe)

Carril

Junta transversal

EjeTndem

Posicin crtica de la carga paralas Deformaciones

Banquina de Hormign(si existe)

Carril

Junta transversal

EjeTndem


30

Factores involucrados en el diseo Capacidad soporte de la subrasante (k subrasante). Tipo y espesor de Subbase (k combinado). Propiedades mecnicas del hormign. Perodo de diseo. Trnsito. Configuracin de cargas por eje. Transferencia de cargas en juntas transversales (pasadores /

trabazn entre agregados). Transferencia de carga en bordes (Tipo de banquina /

sobreanchos de calzada). Factor de seguridad de cargas. Siempre incorporar

el valor medio o ms probable


31

Limitaciones En el anlisis por fatiga, no incorpora el efecto de las tensiones

generadas por alabeo. Considera que los efectos del alabeo diurno y nocturno se

autocompensan.

No considera en forma directa la erosionabilidad de la subbase. Lo hace en forma indirecta, mediante el incremento de la rigidez del

apoyo.

No tiene en consideracin la incidencia del clima y del drenaje de laestructura. El mtodo sugiere incrementar o reducir el dao por erosin del

100% en funcin de la experiencia en la utilizacin del mtodo enuna regin determinada.


32

METODO AASHTO 1993AASHO Road Test (1958-1960)

Tercer ensayo a gran escala en pavimentos.

Se evaluaron secciones de pavimento rgido y flexible.

Se evaluaron distintas configuraciones de carga, espesores de calzada y subbase.

Se estudiaron secciones de pavimentos de hormign simple y reforzado.

Objetivo central: desarrollar relaciones entre cargas de trnsito pesado aplicadas, estructura del pavimento y prdida de Serviciabilidad.


Circuitos de Ensayo AASHO


Procedimiento AASHTO y susmodificaciones

1961-62 AASHO Interim Guide for the Design of Rigid and Flexible Pavements

1972 AASHTO Interim Guide for the Design of Pavement Structures - 1972

1981 Revised Chapter III on Portland Cement Concrete Pavement Design

1986 Guide for the Design of Pavement Structures

1993 Revised Overlay Design Procedures

1998 Allowed for seasonal adjustments in k-value


( )+

LogPSI

4.5 - 1.5

1 +1.624 *10

D

7

+

18 46.

Log(W18) Z *s +7.35 *Log(D +1) -0.06R o=

Variable Z (Conf:R) Desvo Estndar Global Espesor

Cambio de Serviciabilidad

( )+ 4.22 - 0.32pt *

( )Log

215.63*J * D -18.42

E /k

0.75

c

0 25.

ServiciabilidadFinal [ ]S' C D 1.132c d 0.75 * *

Coeficientede drenaje

Transferenciade Carga

Mdulo deRotura

Mdulo de elasticidad

Modulo de reaccin

Ecuacin de Diseo de Pavimentos de Hormign 1986-93


36

Serviciabilidad Inicial (po). Serviciabilidad final (pt). Perodo de diseo Trnsito en ejes equivalentes (W18) Factor de transferencia de carga (J) Mdulo de rotura del Hormign (MR) Mdulo de elasticidad del Hormign ( Ec) Mdulo de reaccin de la subrasante (k, LOS) Coeficiente de drenaje (Cd) Confiabilidad (R, ZR). Desvo Global (so).

METODO AASHTO 1993Factores involucrados en el diseo

Siempre incorporar el valor medio o ms

probable


37

Transferencia de Carga - Efecto de pasadores y Banquina de Hormign

La transferencia de carga en las juntas y bordes de calzada se tiene encuenta mediante el Factor de Transferencia de Carga, J.

Depende del tipo de pavimento, de las condiciones de soporte debordes y de la transferencia de carga en juntas.

ESALs [Millones]Soporte de Borde

JPCP y JRCP (c-pas) JPCP (s-pas)NO SI NO SI

< 0,3 3,2 2,7 3,2 2,8

0,3 a 1 3,2 2,7 3,4 3,01 a 3 3,2 2,7 3,6 3,13 a 10 3,2 2,7 3,8 3,210 a 30 3,2 2,7 4,1 3,4

> 30 3,2 2,7 4,3 3,6

Fuente: WinPAS Manual - Simplified Design Guide.


38

Propiedades de la Subrasante /Subbase

Mdulo resiliente subrasante (Mr)

Tipo de Subbase (E) Espesor de Subbase Prdida de Soporte

Mdulo de reaccin Combinado (kc)

Propiedades de la subrasante y Subbase asociadas al diseo son:


39

Propiedades de la Subrasante /Subbase

Prdida de soporte

La Prdida de soporte tiene en cuenta la erosin de la subbase y subrasante.

Mediante este factor se reduce el valor k debido a la esperada por la erosin de la subrasante.

Una prdida de soporte de 0 considera la condicin del suelo en el ensayo AASHO.

Este valor se sita entre 0 y 3.A excepcin que se prevea

una resistencia a la erosin inferior a la condicin de la prueba AASHO,

adoptar LOS = 0


40

Mtodo de diseo de pavimentosde hormign basado en el mtodode la Portland CementAssociation (1984).

Se haba desarrolladooriginalmente como un nuevosoftware bajo Windows quereemplazara el PCAPAV

ACPA StreetPave

Se recomienda aplicarlo para el diseo de arterias con bajos volmenes detrnsito pesado.

Se consider que algunos aspectos del mtodo anterior llevaban asoluciones muy conservadoras, por lo cul fue extensivamente revisado.

Se conservaron ambos criterios de verificacin, aunque eliminando aquellosfactores que se consider que generaban un sobre-dimensionamiento.


41

MODELO DE FATIGA (PCA)


42

MODELO DE FATIGA (ACPA)

0

2

4

6

8

10

12

14

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Relacin de Tensiones

N

u

m

e

r

o

d

e

a

p

l

i

c

a

c

i

o

n

e

s

a

d

m

i

s

i

b

l

e

s

,

L

o

g

N

PCAS = 95%S = 90%S = 80%S = 70%S = 60%S = 50%

( ) 217.024.100112.0

log)log(

=

SSRNf


43

Valor soporte de los suelos de subrasante. Tipos, espesores y Mdulos de las distintas capas (kc). Propiedades mecnicas del hormign (MR, E). Perodo de diseo. Trnsito. Configuracin de cargas por eje. Crecimiento, Distribucin, etc. Transferencia de cargas en juntas transversales (pasadores / trabazn

entre agregados). Transferencia de carga en bordes (Tipo de banquina / sobreanchos de

calzada). Confiabilidad. Porcentaje de Losas Fisuradas.

FACTORES INVOLUCRADOS EN EL DISEO


44PORCENTAJE DE LOSAS FISURADAS

Clasificacin Confiabilidad Losas Fisuradas Losas fisuradas(valor probable)Residencial Liviano 75 % 15 % 7,5 %

Residencial 80 % 15 % 6 %

Colectoras 85 % 10 % 3 %

Arteria Menor 90 % 10 % 2 %

Arteria Principal 95 % 5% 0,5 %

Efecto combinado del Porcentaje de losas fisuradas con la confiabilidad.

( )5.0

11 LF

PRS

=

50% / Fisuradas Losasdad)Confiabili(100%ProbableValor =


Ejemplo (ACPA StreetPave)45


ING. DIEGO H. CALO

COORDINADOR

DEPARTAMENTO TCNICO DE PAVIMENTOS

[email protected]

GRACIAS

55

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