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JORNADA DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICA

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE PAVIMENTOS DE HORMIGON

DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOSIng. Diego H. Calo

Dirección Nacional de Vialidad – Casa Central

Ciudad Autónoma de Buenos Aires

6-7 de Abril de 2010

INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

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Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº SimpleFisuración Transversal o Longitudinal

Descripción: Fisuras con orientación perpendicular o longitudinal al eje del pavimento.

Causas posibles:

• Fisuración temprana por aserrado tardío.

• Fisuración por fatiga: espesor de calzada insuficiente y/o separación de juntas excesiva para las solicitaciones impuestas (cargas de tránsito y medio ambientales).

• Pérdida de soporte por erosión.

• Reflexión de juntas o fisuras de capas inferiores o de losas adyacentes.

• Asentamientos diferenciales (longitudinales).


3

Descripción: Movimiento del agua (con material en suspensión) ubicada debajo de la losa o su eyección hacia la superficie como resultado de la presión generada por la acción de las cargas.

Causas (deben coexistir los siguientes factores):• Material fino capaz de entrar en suspensión (arenas finas y suelos finos).• Disponibilidad de agua en las capas inferiores del pavimento.• Deflexiones excesivas en bordes y esquinas.

Como evitarla:• Provisión de una subbase resistente a la erosión bajo tránsito pesado.• Evitar el ingreso de agua y/o facilitar su remoción.• Mejorar las condiciones de transferencia de carga.

Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº SimpleErosión por Bombeo y Escalonamiento


4

Tránsito

Escalonamiento Inicial Banq. Externa

Juntas TransversalesJunta Longitud.

Banq. Externa

Incremento del escalonamiento

Banq. Externa

3ER ETAPA

2DA ETAPA

1ER ETAPA

Eyección de Finos

Eyección de Finos

Fisuración Transversal

Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº SimpleErosión por Bombeo y Escalonamiento


5

¿Cuándo es necesario una subbase?Existe riesgo de erosión por bombeo cuando se presentan en forma simultánea las siguientes condiciones:

– Repeticiones reiteradas de cargas pesadas (camiones) capaces de generar deflexiones importantes en juntas y bordes de la calzada de hormigón.

– Disponibilidad de agua en la interfase losa – subbase –banquina.

– Una subrasante compuesta por suelos finos o capaces de entrar en suspensión.

Cuando en un pavimento determinado se prevea la eventual coexistencia de estos factores el EMPLEO DE UNA SUBBASE NO EROSIONABLE ES DE CARÁCTER OBLIGATORIO .

Material Fino ó Erosionable

Tránsito Pesado

Agua Disponible

E


6

Resistencia a la Erosión

Materiales granulares contaminados no tratados; Suelos finos no estabilizados.

Muy erosionablesE

Material 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.

Bastante erosionablesD

Material granular elaborado en planta con 3,5% de cemento o 3% de asfalto.

Resistente a la erosión bajo ciertas condiciones

C

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

Hormigón pobre con 7% - 8% de cemento óconcreto asfáltico con 6% de asfalto.

Extremadamente Resistente a la erosión

A

Tipo de MaterialPotencial de ErosiónClase


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Subbases granulares

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

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

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

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


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Subbases tratadas con cemento

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.


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Subbases de Hormigón PobreRequisitos:


• 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).

Recomendaciones constructivas:

• En general no suele especificarse la ejecución de juntas en la subbase de hormigón pobre.

• Una terminación lisa es conveniente (menor fricción).

• Se recomienda romper la adherencia con la calzada mediante un film de polietileno.

Subbase de Hormigón Poroso


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Subbases tratadas con Asfalto

Requisitos:


• Contenido de asfalto típico: 4% – 4,5%.

• TM: 19 mm.

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

• Pueden ser densas o drenantes (Aº poroso).

Recomendaciones constructivas:

• Los lineamientos constructivos corresponden a los empleados para la ejecución de cualquier capa asfáltica.

• En verano mantener la cancha humedecida o blanquearla (Riego de agua con cal.)


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Sistemas de Subdrenaje¿Como combatir los problemas asociados a humedad en la estructura del

pavimento?

� Evitar el ingreso del agua en la estructura del pavimento: Elevación adecuada de la rasante respecto del terreno, adopción de pendientes transversales y longitudinales apropiadas que permitan un drenaje superficial eficiente y sellado de las juntas y fisuras con el objetivo de reducir la infiltración de agua a las capas inferiores.

� Emplear materiales no sensibles a la humedad (elevada resistencia a la erosión).

� Incorporar elementos de diseño que minimicen los daños por humedad: Incorporación de pasadores en las juntas transversales, empleo de sobreanchos de calzada, incorporación de banquina de hormigón vinculada, incorporación de una capa granular entre la base tratada y la subrasante, etc.

� Eliminar el agua libre mediante una estructura de subdrenaje: el propósito de la incorporación de un sistema de este tipo es eliminar rápidamente el agua infiltrada a la estructura del pavimento.


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Sistemas de Subdrenaje

Tipos de Sistemas empleados (Fuente: MEPDG)Tipo Ia: Base permeable con Dren Longitudinal


13


Tipos de Sistemas empleados (Fuente: MEPDG)Tipo Ib: Base permeable hasta el talud.


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Tipos de Sistemas empleados (Fuente: MEPDG)

Tipo IIa: Base no erosionable con drenlongitudinal

Tipo IIb: Base no erosionable con drenlongitudinal y relleno de HºPº


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¿Cuando se necesita un sistema de Subdrenaje?

• Los sistemas de drenaje son elementos de diseño que incrementan sensiblemente el costo de construcción.

• A fin de que se encuentren plenamente justificados, debe probarse que generan una mejora en el desempeño del pavimento.

• En USA se han efectuado una serie de proyectos de investigación para brindar una respuesta a estas inquietudes (NCHRP 1-34 a 1-34D).

• Conclusiones a las que arribó este estudio:- La rigidez de la base resultó ser más influyente que el drenaje en el comportamiento de

los pavimentos de hormigón.

- Se ha observado que existe una rigidez óptima (ni muy rígida, ni muy flexible).

- La presencia de agua en la estructura del pavimento ha resultado muy perjudicial en el desempeño del pavimento en el pasado.

- Los diseños actuales son menos susceptibles a los daños por exceso de humedad (mayores espesores, mejor calidad de materiales, uso extensivo de pasadores, etc.


16

Sistemas de Subdrenaje¿Cuando se necesita un sistema de Subdrenaje?

“El estado del arte actual es tal que no es posible establecer definiciones concluyentes acerca de la efectividad de los sistemas de subdrenaje o la necesidad de drenaje subsuperficial” (fuente: MEPDG Part 3. Design Analysis).

De cualquier manera, bajo determinadas condiciones, el empleo de un sistema de subdrenaje puede encontrarse justificado, en especial en tránsito pesado, climas húmedos y suelos de subrasante de baja permeabilidad.

NRNRNRNRNRNRNRNRFSeca sin

congelamiento

NRNRNRNRFFNRFFSeca con congelamiento

NRNRFFFRFRRHúmeda sin congelamiento

NRNRFFRRFRRHúmeda con congelamiento

k>303<k<30k<3k>303<k<30k<3k>303<k<30k<3

Menos de 2,5 millones de camiones en el carril de

diseño en 20 años

Entre 2,5 y 12 millones de camiones en el carril de

diseño en 20 años

Más de 12 millones de camiones en el carril de

diseño en 20 añosCondición climática

K: Permeabilidad de la subrasante en m/día; R: Recomendable; F: Factible; NR: No recomendado


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TRANSFERENCIA DE CARGA

D2 = 0D1 = x

Mala Transferencia de Carga

• Trabazón entre agregados• Pasadores• Banquina de hormigón

– Banquina Vinculada– Cordón 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


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BANQUINA EXTERNA RÍGIDA VINCULADA• Es recomendable que las banquinas se

construyan del mismo material que la calzada principal con el fin de facilitar las condiciones de construcción, mejorar la performance global del pavimento y reducir los costos de mantenimiento.

• La vinculación al borde externo de calzada permite una reducción significativa de las deflexiones y tensiones generadas por cargas, reduciendo los espesores de diseño (de 2 a 4 cm).

• Se recomienda el empleo de banquinas vinculadas de espesor total (considerar el empleo de sección variable).

• Minimiza la infiltración de agua (mejor drenaje superficial).


19

SOBREANCHO DE CALZADA


20

Sobreancho de Calzada

Datos:

• Espesor: 25 cm.

• Largo: 4,50 m.

• Ancho: 4,25 m.

• ∆T: 0ºC.

• 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 0.75

Distancia al Borde, m

Ten

sion

es M

áxim

as (F

ondo

de

Losa

), M

Pa

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

Def

orm

ació

n M

áxim

a, m

m

Tensiones - Carga en Borde

Deformaciones - Carga en Esquina


21

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: 0ºC.

• k: 150 MPa/m.

• Eje Simple: 100 KN

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


22

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: 0ºC.

• k: 150 MPa/m.

• Eje Simple: 100 KN

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


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Método de la Portland Cement Association

• Procedimiento Empírico- Mecanicista basado en respuestas de pavimentos matemáticamente 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 verificación por fatiga). Limitante para bajo tránsito pesado.

• Limita las deflexiones desarrolladas en bordes y esquinas (Criterio de verificación por erosión). Limitante para elevado tránsito pesado.

• Recientemente el ACPA ha lanzado una nueva versión para vías de Bajo Volumen de Tránsito Pesado (ACPA StreetPave).


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Ubicación Crítica de Cargas

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


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Factores involucrados en el diseño

• Capacidad soporte de la subrasante (k subrasante).

• Tipo y espesor de Subbase (k combinado).

• Propiedades mecánicas del hormigón.

• Período de diseño.

• Tránsito. Configuración de cargas por eje.

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

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

• Factor de seguridad de cargas. Siempre incorporar el valor medio o más

probable


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Limitaciones

• En el análisis por fatiga, no incorpora el efecto d e 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 consideración la incidencia del clima y del drenaje de la estructura.– El método sugiere incrementar o reducir el daño por erosión del

100% en función de la experiencia en la utilización del método en una región determinada.


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METODO AASHTO 1993AASHO Road Test (1958-1960)

• Tercer ensayo a gran escala en pavimentos.

• Se evaluaron secciones de pavimento rígido y flexible.

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

• Se estudiaron secciones de pavimentos de hormigón simple y reforzado.

• Objetivo central: desarrollar relaciones entre cargas de tránsito pesado aplicadas, estructura del pavimento y pérdida de Serviciabilidad.


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• Serviciabilidad Inicial (po).• Serviciabilidad final (pt).• Período de diseño• Tránsito en ejes equivalentes (W18)• Factor de transferencia de carga (J)• Módulo de rotura del Hormigón (MR)• Módulo de elasticidad del Hormigón ( Ec)• Módulo de reacción de la subrasante (k, LOS)• Coeficiente de drenaje (Cd)• Confiabilidad (R, ZR).• Desvío Global (so).

METODO AASHTO 1993Factores involucrados en el diseño

Siempre incorporar el valor medio o más

probable


29

LIMITACIONES DEL MÉTODO AASHTO ACTUAL

Una zona climática / 2 años Un tipo de subrasante

Limitadas secciones

de estudio

Limitadas repeticiones de carga


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MEPDGCLAVES QUE POSIBILITARON EL CAMBIO

• Los fundamentos técnicos desarrollados en las últimas 3 décadas a través de las distintas investigaciones llevadas a cabo en pavimento permitieron el desarrollo de un procedimiento de base mecanicista.

• La disponibilidad de información relativa a performance a largo plazo recabada en pavimentos en servicio (LTPP) que permitió la calibración y validación de dichos modelos.

• La velocidad de los procesadores actuales y la capacidad de almacenamiento de las computadoras modernas.


31

Diseño a EvaluarDiseño a Evaluar

DatosSuelos Materiales Tránsito Clima

DatosSuelos Materiales Tránsito Clima

Respuestas Estructurales ( σ, ε, δ)Respuestas Estructurales ( σ, ε, δ)

Modelos de Predicción de comportamientoFallas Rugosidad

Modelos de Predicción de comportamientoFallas Rugosidad

Verificación del ComportamientoCriterio de falla

Verificación del ComportamientoCriterio de falla

ConfiabilidadConfiabilidad NO

SI

Diseño FinalDiseño Final

RE

VIS

AR

DIS

EÑ

O

Cumple Requisito

de Diseño?

Cumple Requisito

de Diseño?


32

EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSºVERIFICACIÓN

El diseño propuesto será verificado con el criterio de verificación para cada tipo de falla.

Fisuración

(Máximo permitido)

De 10% a 45%

Escalonamiento

(Máximo permitido)

De 2,5mm a 5,0mm

Rugosidad

(Máximo permitido)

De 2,5 m/km a 4,0m/km


33

ANALISIS DE DETERIOROS

¿ Como Reducir el Potencial de Fisuración a Fatiga?

• Incrementar el Espesor de la Losa.

• Reducir la Separación entre Juntas.

• Efectuar un Sobreancho de Calzada.

• Emplear Banquina Rígida Vinculada.

• Incrementar la Resistencia del Hormigón.

• Usar una Base Tratada (incremento de k)

¿ Como Reducir el Potencial de Erosión y Escalonamiento?

• Emplear Pasadores en Juntas Transversales.

• Proveer una Base Menos Erosionable.

• Efectuar un Sobreancho de Calzada.

• Emplear Banquina Rígida Vinculada.

• Proveer Drenaje Subsuperficial.


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• Método de diseño de pavimentos de hormigón basado en el método de la Portland Cement Association (1984).

• Se había desarrollado originalmente como un nuevo software bajo Windows que reemplazara el PCAPAV

ACPA StreetPave

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

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

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


35

MODELO DE FATIGA (PCA)


36

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

0112.0

log)log(

⋅−=−

SSRNf


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• 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 / trabazón

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

calzada).• Confiabilidad.• Porcentaje de Losas Fisuradas.

FACTORES INVOLUCRADOS EN EL DISEÑO


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PORCENTAJE DE LOSAS FISURADAS

0,5 %5%95 %Arteria Principal

2 %10 %90 %Arteria Menor

3 %10 %85 %Colectoras

6 %15 %80 %Residencial

7,5 %15 %75 %Residencial Liviano

Losas fisuradas(valor probable)

Losas FisuradasConfiabilidadClasificación

Efecto combinado del Porcentaje de losas fisuradas con la confiabilidad.

( )5.0

11 LFPR

S⋅−−=

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


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VERSIÓN ON-LINE

Diseño de Pavimentos Flexibles:

�Impresión en PDF de informe final

�Recomendaciones para el diseño de pav. Flex. equivalentes

�Análisis de sensibilidad

�Consideraciones sobre espesores y la confiabilidad

�Tablas con el detalle de los consumos de Fatiga y Erosión

��Recomendaciones para una selección adecuada de juntas:

��Recomendaciones para la selección de pasadores

�Análisis del ciclo de vida

��Recomendaciones para el diseño de espesores

Diseño de Pavimento de Hormigón Nuevo:

��Cálculo de la vida teórica del pavimento

��Cálculo de la fatiga total en el período de diseño

��Cálculo de la erosión total en el período de diseño

Análisis de un Pavimento de Hormigón Existente

Versión Windows Versión on-line

Características

http://www.pavement.com/StreetPave/Default.aspx


40

ING. DIEGO H. CALODIVISIÓN PROYECTOS Y DESARROLLO

[email protected]

GRACIAS

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