Dpto. Técnico de Pavimentos · 2020. 6. 12. · DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS Ing. Diego H. Calo...

DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS

Ing. Diego H. CaloDpto. Técnico de Pavimentos

JORNADA DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICADISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS URBANOS DE HORMIGÓN

Universidad Tecnológica Nacional – Regional Rosario9 y 10 de Diciembre de 2013

INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO


MÉTODOS DE DISEÑO

Suelos

Materiales Clima Tránsito


MÉTODOS DE DISEÑO• En función del tipo de análisis que realizan, las metodologías de

diseño estructural se dividen en:

• Empíricas: se basa en la performance evidenciada en experiencias y/o experimentos de pavimentos. Este tipo de aproximaciones son comunes, desde las muy simples (empleo de soluciones conocidas) a las muy complejas (AASHTO´93).

• Mecanicistas: Es una aproximación puramente científica, basada a partir del mecanismo de respuesta estructural del pavimento cuando es solicitado por cargas. Dado lo complejo que resulta el comportamiento de los pavimentos, no existen metodologías netamente empíricas.

• Empírico- mecanicistas: Combinan aspectos de ambas metodologías (ej. Método PCA 1984, ACPA StreetPave).


CATÁLOGOS (ej: Alemania)

Categoría de Ruta

Cantidad de Ejes Equivalentes de 10 T previstos (30 años)

Tipo de Base

1.1, 1.2 y 1.3 : Base Tratada con cemento.

2 : Base asfáltica.

3 : Base granular.


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• Método de diseño de pavimentosde hormigón basado en el métodode la Portland CementAssociation (1984).

• Se había desarrolladooriginalmente como un nuevosoftware bajo Windows quereemplazara el PCAPAV

ACPA StreetPave

• Se recomienda aplicarlo para el diseño de arterias con bajos volúmenes detránsito pesado.

• Se consideró que algunos aspectos del método anterior llevaban asoluciones muy conservadoras, por lo cuál fue extensivamente revisado.

• Se conservaron ambos criterios de verificación, aunque eliminando aquellosfactores que se consideró que generaban un sobre-dimensionamiento.


CALZADA DE HORMIGÓN

• El espesor de calzada es la principal variable en estudio durante la etapa de proyecto, dado que es la que en mayor medida incide en la capacidad estructural del pavimento y en el costo global de la estructura.

• Un criterio sano de ingeniería implica la elección de espesores de diseño que equilibren adecuadamente los costos iniciales y los de mantenimiento.


• Valor soporte de los suelos de subrasante.

• Tipos, espesores y Módulos de las distintas capas (kc).

• Propiedades mecánicas del hormigón (MR, E).

• Período de diseño.

• Tránsito. Configuración de cargas por eje. Crecimiento, Distribución, etc.

• Transferencia de cargas en juntas transversales (pasadores / trabazónentre agregados).

• Transferencia de carga en bordes (Tipo de banquina / sobreanchos decalzada).

• Confiabilidad.

• Porcentaje de Losas Fisuradas (aceptable al final del período deservicio).

ACPA STREETPAVEFactores involucrados en el diseño


SUBRASANTECualquier fundación de pavimentos rígidos deberá verificar el cumplimiento de los siguientes requisitos:

• Uniformidad : No deberá existir cambios abruptos en las características de los materiales (zonas débiles o de elevada rigidez)

• Control de subrasantes expansivas para asegurar un soporte uniforme tanto en temporadas o estaciones húmedas como secas.

• Control de hinchamientos por congelamiento en zonas expuestas a esta condición.

CUALQUIER PAVIMENTO DE HORMIGÓN EXPERIMENTARÁ PROBLEMAS CON SUBRASANTES Y BASES NO

APROPIADAMENTE DISEÑADAS Y CONSTRUIDAS


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¿CUÁNDO ES NECESARIO UNA BASE?Existe riesgo de erosión por bombeocuando se presentan en formasimultánea las siguientes condiciones:

– Repeticiones reiteradas de cargaspesadas (camiones) capaces degenerar deflexiones importantesen juntas y bordes de la calzadade hormigón.

– Disponibilidad de agua en lainterfase losa – base – banquina.

– Una subrasante compuesta porsuelos finos o capaces de entraren suspensión.

Cuando en un pavimento determinado se prevea la eventual coexistencia de estosfactores el EMPLEO DE UNA BASE NO EROSIONABLE ES DE CARÁCTEROBLIGATORIO .

Material Fino ó Erosionable

Tránsito Pesado

Agua Disponible

E


BASES GRANULARESEste tipo de bases suelen estar constituidas por una mezcla bien graduada de diferentes tipos de suelos y agregados. El criterio principal para emplear una base granular en un pavimento de hormigón es el de limitar el contenido de finos para evitar:

• que la capa acumule agua y• que estos sean erosionados por el fenómeno de bombeo.


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Requisitos generales• Espesor mínimo: 10 cm.• Tamaño máximo < 1/3 del espesor.• P200 < 15%.• Desgaste Los Angeles < 50%.

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

BASES GRANULARES


BASES TRATADAS CON CEMENTOCorresponde a la mezcla de suelo (en el mas amplio sentido de su definición) con cemento, la cual es compactada por medios mecánicos.

Ej: suelo – cemento, suelo – arena- cemento, grava - cemento, ripio- cemento, estabilizado granular con cemento, etc.).

Ventajas:

• Aprovechamiento de los materiales locales.

• Incremento de la resistencia a la erosión.

• Evita la consolidación por cargas.

• Menores deflexiones.

• Mejor transferencia de carga.

• Incremento de la rigidez de apoyo.


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Características (ACPA):

• Espesor mínimo: 10 cm.

• Tipo de suelo recomendado para tránsito pesado: A1, A2-4, A2-5 y A3 (ACPA).

• Tamaño máximo: 75 mm.

• Durabilidad por congelamiento – deshielo y humedecimiento – secado.

• Contenidos de Cemento: de 2% a 5%.

• Resistencia a compresión: de 2,1 a 5,5 MPa.

• Resistencia a Flexión: de 0,7 MPa a 1,4 MPa.

• Módulo de elasticidad: 600.000 a 1.000.000 psi (de 4100 a 6900 MPa).

• Romper la adherencia con emulsión asfáltica, film de polietileno o dos capas de membrana en base a parafina.

BASES TRATADAS CON CEMENTO


BASES DE HORMIGÓN POBRE• Este tipo de bases se han popularizado

en los últimos años, en especial para vías donde existe tránsito pesado.

• Se diferencian de las anteriores en que no requieren compactación mecánica, lo que en ámbitos urbanos permite reducir las molestias a los vecinos.

• Suelen ejecutarse de forma similar y con el mismo equipamiento que se emplea en los pavimentos de hormigón.

• A diferencia del pavimento, no requieren la ejecución de juntas intermedias, y es recomendable interponer un ruptor de adherencia con la calzada.


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BASES DE HORMIGÓN POBRE

Requisitos:

• Espesor mínimo: 10 cm.

• Resistencia a compresión de 5 MPa a 8 MPa.

• Contenido de cemento de 120 a 200 kg/m3.

• Contenido de aire de 6 a 8%.

• Tamaño máximo hasta de 25 a 50 mm.

• Tolerancias: ± 6 mm en la regla de 3 m.

• Pueden ser densas o drenantes (Hº poroso).


SUBRASANTE / BASE

CALIFICACIÓN DEL SOPORTE POR MEDIO DEL VALOR K EFECTIVO


SUBRASANTE / BASE

Valor k combinado subrasante / base [MPa/m]

Valor k de Subrasante

[MPa/m]

Espesor de base

100 mm 150 mm 230 mm 300 mm

NT TA TC NT TA TC NT TA TC NT TA TC

13.5 17.6 23.0 27.8 20.3 30.2 40.0 23.0 41.9 59.9 29.7 54.0 82.1

27.0 35.1 41.0 50.0 37.8 52.4 69.4 43.2 69.9 100 51.3 87.8 134

40.5 47.3 58.6 71.0 50.0 73.2 96.4 58.1 95.3 137 68.9 118 179

54.0 59.4 75.6 94.0 62.1 93.2 123 72.9 119 171 86.4 146 222

Valores típicos de Módulo de reacción combinado Subrasante - basepara distintos tipos de bases

NT: base No Tratada.

TA: base Tratada con asfalto.

TC: base Tratada con cemento.


PERÍODO DE DISEÑO

• Es la vida útil teórica del pavimento antes de que éste requiera una rehabilitación importante o reconstrucción.

• Esta no representa necesariamente la vida útil, la cuál podrá ser mayor a la supuesta en el diseño, o más corta debido a un incremento inesperado del tránsito.

• Los períodos de diseño en pavimentos rígidos comúnmente se definen entre 20 y 40 años.

• Las nuevas tendencias en diseño hacia el empleo de períodos de diseño superiores (> 40 años?).


Tránsito. Configuración de Cargas por Eje

• La información requerida incluye la cantidadde vehículos pesados y su composición.

• Para el diseño estructural solamente seconsiderarán aquellos vehículos con unaconfiguración mínima de 2 ejes y eje traserocon duales.

• El método requiere contar con la distribuciónde cargas por eje para cada tipo de Eje(Simples, Dobles y Triples).

• El método cuenta con un procedimiento“Simplificado” el cuál incorpora valoresestadísticos de censos de carga enpavimentos de los Estados Unidos.


Tránsito

Clase Tipo de Pavimento TMDA TPMDACarga Máx (KN)

Simple Tándem

1 Calles residenciales 200-800 < 25 100 160

2 Calles colectoras 700-5000 40-1000 115 200

3 Arterias menores

3000-12000(2 carriles)

3000-5000(4 carriles)

500-5000 130 230

4 Arterias Principales

3000-2000(2carriles)

3000-150000(4carriles)

1500-8000 150 270


Habil

PD

nn

Habil

Medio

TMDAPD

TMDA

TMDA

TMDAFP

∑=

==1

Tránsito – Factor de Proyección

• Cuantifica el crecimiento de tránsito esperado durante el período de diseño.

• Es la relación entre el TMDA medio (para el Período de Servicio considerado) y el TMDA de habilitación

( )i

iFP

PD 11 −+=Para Tasa de crecimiento (i) uniforme en todo el período de diseño (PD)


• Factor de Distribución Direccional (por Sentido) suele ser igual a 0,5(50% del tránsito en cada dirección), aunque existen casos en queesto no se cumple y en los que se deberá conocer el FDDcorrespondiente.

• Factor de Distribución por trocha: se aplica en los casos en queexistan más de una trocha para la misma dirección

Número de trochas en cada dirección

Porcentaje de ESAL de18-kips en el carril de Diseño

1 1002 80-1003 60-804 50-75

Tránsito – Factores de Distribución


Tránsito – Factores de Distribución

1

10

100

50 60 70 80 90 100

TMD

A (u

na d

irecc

ión)

, en

mile

s

Camiones en carril derecho (%)

2 carriles en una dirección

3 carriles en una dirección

• Si se emplea el método de la PCA, el método recomienda emplear lasiguiente distribución:


Propiedades físicas y mecánicas del Hormigón

• Debe determinarse la resistencia media a flexión a 28 días (in situ).

• Se recomienda evaluar en laboratorio la relación flexión – compresión del hormigón con los agregados a emplear.

• Comúnmente se emplean MR a 28 días entre 4,0 MPa y 5,0 MPa.

• Evitar el empleo de hormigones de elevadaresistencia. Se recomienda diseñar con unaresistencia media a flexión a 28 días delorden de 4,5 MPa.

• Al menos una de las fracciones de agregados gruesos debe encontrarse triturada.

• Evitar el empleo de agregados de elevado coeficiente de expansión térmica.

• Evitar el empleo de agregados de elevado módulo de elasticidad.


Módulo de roturaCorrelaciones de Resistencia

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

5.50

25 30 35 40 45

Resistencia a Compresión, MPa

Res

iste

ncia

a F

lexi

ón,

MP

a

MR = 0.7 x f'c (̂0.5) MR = 0.75 x f'c (̂0.5) MR = 0.8 x f'c (̂0.5)

CσKMR ×=K = 0,7 Para agregados Redondeados

K = 0,8 Para agregados Triturados


TRANSFERENCIA DE CARGA

Posición crítica de la carga paralas Tensiones de Flexión

Banquina de Hormigón(si existe)

Carril

Junta transversal

EjeTándem

Posición crítica de la carga paralas Deformaciones

Banquina de Hormigón(si existe)

Carril

Junta transversal

EjeTándem

CRITERIO DE VERIFICACIÓN POR EROSIÓN

CRITERIO DE VERIFICACIÓN POR FATIGA


Transferencia de Cargas

Juntas Transversales (Pasadores)• Permiten reducir significativamente las tensiones generadas a lo largo

de las juntas transversales y las deflexiones desarrolladas en laesquina de las losas.

• Su inclusión o no depende principalmente del volumen de vehículospesados previsto.

Bordes de calzada (Banquina de hormigón o Sobreancho)• Permiten reducir significativamente las tensiones desarrolladas en los

bordes y las deflexiones generadas en los bordes y esquina de losas.• Desde el punto de vista estructural, la banquina rígida de hormigón

vinculada, el sobreancho de calzada o la presencia de cordones –cuneta, tienen un efecto similar.


Transferencia de CargasDeflexiones en pavimentos de hormigón

Borde Externo del Pavimento (Borde Libre)

Carril 3,65 m.

Junta longitudinal Central(actúa como banq. de Hº)

Junta Transv. sin pasadores

2 Di

~2.5 Di5 Di

~3.5 Di

Di Di

Junta Transv. con pasadores


Factor de Seguridad de Cargas

Se aplica con el fin de resguardar al pavimento de las imprevistas sobrecargas de vehículos pesados al mayorar las cargas de tránsito previstas.

Los valores recomendados por la PCA son:

– Autopistas y rutas de alto volumen de tránsito pesado, donde sea requerido un flujo ininterrumpido del tránsito, FSC=1,2.

– Rutas y arterias importantes con moderado volumen de tránsito pesado, FSC=1,1.

– Rutas y otras vías de bajo volumen de tránsito pesado y calles residenciales, FSC=1,0.


MODELO DE FATIGA (PCA)


MODELO DE FATIGA (ACPA)

0

2

4

6

8

10

12

14

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Relación de Tensiones

Num

ero

de a

plic

acio

nes

adm

isib

les,

Log

N

PCA

S = 95%

S = 90%

S = 80%

S = 70%

S = 60%

S = 50%

( ) 217.024.10

0112.0log

)log(

⋅−=− SSR

Nf


Confiabilidad

Clasificaci ón Funcional del Camino

Confiabilidad Recomendada

Urbano Rural

Interestatales, Autopistas 85 - 99 80 – 99

Arterias Principales 80 - 99 75 – 95

Calles Colectoras 80 - 95 75 – 95

Calles Residenciales y Rutas locales

50 - 80 50 – 80

• Es simplemente un factor de seguridad.

• Se expresa generalmente en %.

• Es una medida de la probabilidad de que el pavimento falle porFatiga o Erosión.


Porcentaje de losas Fisuradas

Nivel Recomendado de Losas Fisuradas para cada Tipo de camino

Tipo de CaminoPorcentaje recomendado de Losas Fisuradas al Final de su Vida Útil

(Por defecto) 15%

Autopistas, Rutas 5%

Arterias Menores 10%

Calles Colectoras 15%

Calles Residenciales 25%


LOSAS FISURADAS - CONFIABILIDAD

Clasificación Confiabilidad Losas FisuradasLosas 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.

( )0.5

PR11S LF⋅−−=

50% / Fisuradas Losasdad)Confiabili(100%Probable Valor ⋅−=


Ejemplo (ACPA StreetPave)38


ING. DIEGO H. CALOCOORDINADOR

DEPARTAMENTO TÉCNICO DE PAVIMENTOS

[email protected]

GRACIAS

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