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Pavimentos de HormignConceptos de Diseo Estructural

Pavimentos de HormignConceptos de Diseo Estructural

DIVISIN PAVIMENTOS29 de Mayo de 2008

DIVISIN PAVIMENTOS29 de Mayo de 2008

INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO DIRECCIN NACIONAL DE VIALIDAD 29.05.08

SINTESIS DE LA PRESENTACIN

Tipos de Pavimentos de Hormign. Prevencin de los distintos tipos de falla. Tipos de Bases/subbases. Mtodos de diseo de espesores. Disposicin de Juntas. Consideraciones de proyecto especiales.



TIPOS DE PAVIMENTOS DE HORMIGN

Pavimentos de Hormign Simple JPCPa) Con Pasadores.b) Sin Pasadores.

Pavimentos de Hormign Reforzados con Juntas JRCP.

Pavimentos de Hormign Continuamente Armados CRCP.


PAV. DE HORMIGN SIMPLE CON JUNTASJPCP Jointed Plain Concrete Pavement

Barras de Unin

PasadoresJunta Longitudinal

Juntas Transversales

3,5 a 6 m. 3,5 a 6 m. Sin armadura.

Menor separacin entre juntas.

Espesores de Calzada:

15-20 cm.: Pavimentos Urbanos.

20-30 cm.: Rutas y Autopistas.

> 30 cm.: Aeropuertos y Terminales de carga.

Juntas Transversales c/pasadores en moderado y alto volumen de vehculos pesados.


PAV. DE HORMIGN ARMADO C/JUNTASJPCP Jointed Reinforced Concrete Pavement

PasadoresJunta Longitudinal

Juntas Transversales

Mayor de 6 m. Armadura: = 0,15% - 0,2%.

Mayor separacin entre juntas. (Recomendado < 9 m.).

Se prev la aparicin de fisuras intermedias (entre juntas), las que debern permanecer inactivas.

Espesores de Calzada: Idem anterior.

Juntas Transversales c/pasadores.

Actualmente se encuentran prcticamente en desuso.


PAV. HORMIGN CONTINUAMENTE ARMADOCRCP Continuosly Reinforced Concrete Pavement

Junta Longitudinal con B.U.

Sin Juntas Transversales

0,8 m a 2 m.

Armadura Longitudinal (0,6% a 0,7%)

Despostillamientos.

Levantamientos de losas.

Escalonamiento.

Erosin por Bombeo.

Roturas de esquina.

Fisuracin transversal y longitudinal.

Diseo de Juntas, materiales de sello y seleccin de Bases

Diseo de espesor y de Juntas

PRINCIPALES MECANISMOS DE FALLA EN PAVIMENTOS DE HORMIGN.


DespostillamientosCausa:

Entrada de materiales incompresibles en juntas y fisuras.

PRINCIPALES MECANISMOS DE FALLADISPOSICIN DE JUNTAS Y SELECCIN DE BASES


Levantamiento de losas ("blow up").

Causa: Diseo Inadecuado de Juntas. Entrada de materiales incompresibles en juntas y fisuras (por falla del material de sello).



Erosin por Bombeo

Causas (Deben coexistir):

Disponibilidad de agua por debajo de la losa.

+ Presencia de material fino susceptible al bombeo.

+ Deflexiones excesivas en bordes y esquinas.



EscalonamientosCausas:

Inadecuada transferencia de carga.

Erosin de Base o Subbase.



Fenmeno de escalonamiento y bombeo

Carga

AguaBase / Subbase

Losa anterior Losa posterior




Carga

Base / Subbase





Base / Subbase


Carga




Carga

Base / Subbase





Carga

Base / Subrasante


Escalonamiento




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


Roturas de Esquina

Causa:

Inadecuado diseo de juntas.

Perdida de soporte por erosin.



Fisuracin por Fatiga

Causas:

Inadecuado diseo estructural (espesor y juntas).

PRINCIPALES MECANISMOS DE FALLASELECCIN DE ESPESORES Y DISTRIBUCIN DE JUNTAS


Tensiones debida a carga

Tensiones debidas a alabeos

Tensiones debidas a cambios de volumen

ESPESOR

JUNTAS

PRINCIPALES MECANISMOS DE FALLASELECCIN DE ESPESORES Y DISTRIBUCIN DE JUNTAS


OBJETIVO DEL DISEO - JPCP

Provisin de un soporte razonablemente uniforme (control de las 3 principales fuentes de heterogeneidad).

Prevencin del bombeo mediante subbases adecuadas en caso de trnsito pesado.

Seleccionar espesores de diseo acordes con el trnsito previsto y las condiciones de soporte.

Diseo adecuado de juntas.

Seleccin de componentes del hormign que aseguren los requisitos de resistencia y durabilidad durante la vida proyectada.


SUBBASES

Hormign Pobre y HCR. Suelos estabilizados con cemento. Suelos estabilizados con emulsin. Subbases Granulares.

Obra Nueva

Reciclado de Pavimentos Flexibles. Recubrimientos adheridos / No adheridos sobre

pavimentos flexibles (WH/TW). Recubrimientos adheridos / No adheridos sobre

pavimentos rgidos.

Rehabilitacin de Pavimentos Existentes.

Rigidez

Trnsito

Alabeo

Res. E

rosin


SUBBASE La experiencia indica que es FUNDAMENTAL efectuar un

adecuado diseo y construccin de la subrasante / subbase.

El objetivo es que le provea a la calzada un apoyo UNIFORME, ESTABLE y PERMANENTE.

Un diseo y construccin inadecuado de la subbase o de las capas inferiores no puede compensarse con un MAYOR ESPESOR DE HORMIGN.

CUALQUIER PAVIMENTO DE HORMIGN EXPERIMENTAR PROBLEMAS CON SUBBASES NO

APROPIADAMENTE DISEADAS Y CONSTRUIDAS


SUBBASES CEMENTADASVENTAJAS Elevada rigidez. Incremento de la resistencia a la erosin. Evita la consolidacin debido a cargas pesadas. Menores deflexiones. Mejor Eficiencia en la transferencia de carga. Elevada capacidad de carga (mayor k), con reduccin

de espesor en losas. Apoyo firme para TAR (mejora en la lisura superficial

que entrega el equipo de alto rendimiento), con menores demoras por malas condiciones climticas.


SUBBASE DE SUELO SUBBASE DE SUELO -- CEMENTOCEMENTO


SUBBASE DE ESTABILIZADO GRANULAR SUBBASE DE ESTABILIZADO GRANULAR CON CEMENTOCON CEMENTO


SUBBASE DE HORMIGN COMPACTADO CON RODILLO

SUBBASE DE HORMIGSUBBASE DE HORMIGN COMPACTADO N COMPACTADO CON RODILLOCON RODILLO

HORMIGN POBRECaractersticas Los beneficios de las bases tratadas con cemento

(resistencia a la erosin y consolidacin, alto valor soporte y eficiencia en la transferencia de cargas en juntas) son potenciados en el caso de subbases de hormign pobre.

El reconocimiento de sus mejores propiedades estructurales se traduce en una disminucin de los espesores de diseo.

Una capa de hormign pobre puede construirse de forma independiente como subbase o bien como capa inferior constituyendo una estructura monoltica de seccin compuesta con la capa superior de hormign convencional (Europa).

SUBBASE - SOBREANCHO

Es ALTAMENTE recomendable para pavimentacin con TAR, especificar un sobreancho de la subbase a fin de que le provea una apoyo estable y uniforme a la pavimentadora.


SUBBASES - SOBREANCHO Provee un apoyo estable y uniforme a la

orugas del equipo pavimentador. Mejor calidad final de terminacin. Reduce las demoras por malas condiciones

climticas. Mejora las condiciones de soporte de los

bordes de calzada. Brindan una mejor aislacin en zonas de

subrasantes formadas por suelos susceptibles a cambios volumtricos.

Reduce el potencial de erosin de la subrasante en los bordes de calzada al alejar la zona crtica de erosin del punto de aplicacin de las cargas.

Se debe especificar un sobreancho de 60 a 80 cm. para calzada y de 80 a 100 cm. para ancho completo.


MTODO AASHTO

Procedimiento emprico. Elaborado en base a la performance evidenciada en las secciones de

pavimentos evaluadas en el AASHO ROAD TEST (1958-1960). En dicho ensayo, el principal mecanismo de falla observado en las

secciones de pavimento rgido fue la prdida de soporte por erosin. Todas las fisuras observadas durante el estudio fueron precedidas

por el fenmeno de bombeo de finos. Durante el transcurso de los aos ha sufrido distintas revisiones

(1961-62; 1972, 1981, 1986, 1993, 1998). Se encuentra prximamente a ser reemplazado por un nuevo mtodo

Emprico-mecanicista.


MTODO DE LA PCA

Procedimiento 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). Limita las deflexiones desarrolladas en bordes y esquinas (Criterio de

verificacin por erosin). El ACPA ha recientemente desarrollado en base a este mtodo, una

nueva herramienta de diseo ACPA Street Pave para rutas de bajo volumen de trnsito pesado (calles y rutas locales).


CATLOGOSUtilizados en algunos pases europeos

Empleo de secciones de pavimento tabuladas en base a la categora del camino, el nivel de trnsito pesado, suelos de subrasante, etc.

Las secciones de pavimento de estos catlogos reflejan la experiencia a largo plazo evidenciada con sus materiales, clima y niveles de trnsito.

Estos diseos han sido validados tambin con modelacin mecanicista, ensayos de laboratorio y experiencias de campo.


MTODOS DE DISEOMtodo NCHRP 1-37A AASHTO 2002

LIMITACIONES DEL MTODO ASHTO ACTUAL

Una zona climtica / 2 aosUna zona climtica / 2 aos Un tipo de subrasanteUn tipo de subrasante

Limitadas repeticiones de cargaLimitadas repeticiones de cargaLimitadas secciones de estudioLimitadas secciones de estudio



Claves que posibilitaron el cambio:

Los fundamentos tcnicos desarrollados en las ltimas 3 dcadas a travs de las distintas investigaciones llevadas a cabo en pavimento permitieron el desarrollo de un procedimiento de base mecanicista.

La disponibilidad de informacin relativa a performance a largo plazo recabada en pavimentos en servicio (LTPP) que permiti la calibracin y validacin de dichos modelos.

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


MTODOS DE DISEOMtodo NCHRP 1-37A AASHTO 2002Fundamentos:

En el nuevo mtodo, el propsito es disear una estructura para que soporte solicitaciones climticas y de trnsito sin superar valores lmites prefijados de deterioro (Fisuracin, Escalonamiento e IRI).

Las configuraciones de ejes y la magnitud de las cargas se consideran en forma directa, no a travs de indicadores simplificados de dao relativo (ESAL).

El procedimiento requiere informacin detallada sobre el trnsito (distribucin porcentual por tipo de vehculos, configuraciones de ejes, cargas por eje y distribucin horaria).

La informacin climtica requerida por el nuevo mtodo es sumamente exigente en cuanto al volumen de informacin anual, mensual, diaria e incluso horaria sobre temperaturas y precipitaciones.


MTODOS DE DISEOMtodo NCHRP 1-37A AASHTO 2002Deterioros AnalizadosPavimentos de hormign Simple (con o sin pasadores) Escalonamiento de juntas. Fisuracin Transversal (de abajo hacia arriba). Fisuracin Transversal (de arriba hacia abajo). Rugosidad (IRI)

Pavimentos de Hormign Continuamente Armado. Punzonado Rugosidad (IRI)



Fisuracin por fatiga (posiciones crticas)

Carga sobre juntas y alabeo cncavo (Situacin Nocturna)

Fisuracin transversal de arriba hacia abajo

Tensiones Crticas

Carga sobre borde externo y alabeo convexo

(situacin diurna).

Fisuracin transversal de abajo hacia arriba.Tensiones

Crticas



Como Reducir el Potencial de Fisuracin a Fatiga?

Incrementar el Espesor de la Losa.

Reducir la Separacin entre Juntas.

Efectuar un Sobreancho de Calzada.

Emplear Banquina Rgida Vinculada.

Incrementar la Resistencia del Hormign.

Usar una Base Estabilizada (incremento de k)


MTODOS DE DISEOMtodo NCHRP 1-37A AASHTO

2002Escalonamiento

(posicin crtica) Mximas deflexiones en

esquinas. Concentracin de

tensiones en subrasante.

Rugosidad IRI: depende de varios factores IRI inicial de construccin Evolucin de deterioros (fisuracin y escalonamiento) Condiciones climticas.



Como Reducir el Potencial de Erosin y Escalonamiento?

Emplear Pasadores en Juntas Transversales.

Proveer una Base Menos Erosionable.

Efectuar un Sobreancho de Calzada.

Emplear Banquina Rgida Vinculada.

Proveer Drenaje Subsuperficial.



Diseo a Evaluar

SuelosClima

TrnsitoRespuestas Estructurales

Prediccin de comportamientoFallas Rugosidad

Verificacin del ComportamientoCriterio de falla

ConfiabilidadNO

SIDiseo Posible

Optimizar?

Rev

isar

dis

eo

Opt

imiz

ar d

ise

o


DETERMINACIN DE ESPESORESMTODOS DE DISEO

Mtodos de Diseo de Pavimentos empleados en Estados Unidos, Canad y Puerto Rico

0

5

10

15

20

25

30

AASHTO 86/93 PCA AASHTO 72/81 AASHTO 93/98 MEPGD Otros

Mtodos de Diseo

Can

tidad

de

Esta

dos

Fuente: ACPA Database.

Informacin Disponible para un Total de 39 Estados.


DISPOSICIN DE JUNTASEl objetivo es copiar el patrn de fisuracin que naturalmente desarrolla el pavimento en servicio mediante un adecuado diseo y ejecucin de juntas transversales y longitudinales, e incorporar en las mismas mecanismos apropiados para la transferencia de cargas.

Un adecuado diseo de las juntas permitir: Prevenir la formacin de fisuras Proveer transferencia de carga adecuada Permitir el movimiento de las losas contra estructuras fijas e

intersecciones Dividir la construccin del pavimento en incrementos acordes a

la tecnologa empleada.


DISPOSICIN DE JUNTASSeparaciones entre Juntas de Contraccin Sep. Mxima recomendada: 6,0 m.

Bases Cementadas: 21 x E

Bases Granulares: 24 x E

Otras Consideraciones

Relacin largo/ancho < 1,5 (Recomendado 1,25).

Otros factores que influyen: Coef. de Dilatacin Trmica del H, Rigidez de la base, Condiciones Climticas, etc.

DEBE PRIMAR LA EXPERIENCIA LOCAL


TRANSFERENCIA DE CARGAEs la capacidad de una junta para transmitir parte de la carga aplicada en una losa a la losa contigua.

Dc = X cm.Carga de Rueda

Dd = 0 cm.

Eficiencia de Junta = 0%

Dc = X/2 cm.Carga de Rueda

Dd = X/2 cm.

Eficiencia de Junta = 100%

Los factores que contribuyen a mejorar la eficiencia son:

Trabazn entre agregados

Rigidez de la subbase

Pasadores

100Dc)(Dd

Dd2E[%] +

=


TRANSFERENCIA DE CARGA

Deflexiones en Pavimentos de Hormign

Carril 3,65 m.

Borde Externo del Pavimento (Borde Libre)

Junta longitudinal Central

Junta Transv. sin pasadores

2 Di

~2.5 Di5 Di

~3.5 Di

Di Di

Junta Transv. con pasadores


TRANSFERENCIA DE CARGAAceptable para vas de Trnsito Liviano (80 a 120 Vehculos pesados o menos de 4 a 5 millones de EEs)

El grado de transferencia de carga se encuentra afectado por:

Losas de mayor espesor. Menor espaciamiento de juntas. Empleo de ridos triturados y de tamao superior a 25 mm. Subbases Rgidas. Condiciones de soporte en bordes. Mejores condiciones de drenaje.


TRANSFERENCIA DE CARGA - PASADORESDeben emplearse en vas de Trnsito Pesado (donde no es suficiente la transferencia de carga por trabazn).

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25

Edad, aos

Esca

lona

mie

nto,

mm

sin pasadores

Diametro 25 mm

Diametro 32 mm

Diametro 38 mm

Diametro 32 mm y sobreancho


TRANSFERENCIA DE CARGA - PASADORESCaractersticas:Tipo de hierro Barra redonda recta

Superficie Lisa, libre de xido y con tratamiento que impida la adherencia al hormign

Longitud 45 cm.

Dimetro 25 mm para E 20 cm 32 mm para 20 < E 25 cm 38 mm para E > 25 cm

Separacin 30 cm. de centro a centro 15 cm. de centro a borde

Ubicacin Paralelo al eje de calzada Mitad del espesor de losa Mitad a cada lado de la junta transversal


DISPOSICIN DE JUNTAS

JUNTAS TRANSVERSALESJUNTAS TRANSVERSALES

JUNTAS LONGITUDINALESJUNTAS LONGITUDINALES

ContracciContraccinn ConstrucciConstruccinn ExpansiExpansin / Dilatacin / Dilatacinn

ContracciContraccinn ConstrucciConstruccinn


JUNTAS TRANSV. DE CONSTRUCCIN Se efectan al final de la jornada de trabajo o en interrupciones

programadas (puentes, estructuras fijas, intersecciones) o por imposibilidad de continuar con el hormigonado.

Se ubican en coincidencia con la de contraccin (Tomar precauciones cuando se pavimente por trochas).

La transferencia de carga se efecta a travs del pasador.

Espesor delosa "E"

1/2 E Pasador


JUNTAS TRANSV. DE DILATACIN

Aslan el pavimento de otra estructura, tal como otra zona pavimentada o una estructura fija.

Ayudan a disminuir tensiones de compresin que se desarrollan en intersecciones en T y asimtricas.

Su ancho debe ser de 12 a 25 mm, ya que mayores dimensiones pueden causar movimientos excesivos en las juntas cercanas.

La transferencia de carga se efecta a travs del pasador, sino debe realizarse sobre espesor de hormign.

En pavimentos sin pasadores las 3 o 4 juntas prximas a la de dilatacin deben ejecutarse con pasadores.


Material de Relleno

Cpsula (30 mm de carrera libre)

20 mm

D= 25, 32 o 38 mm

1/2 E

PasadorMaterial de Sellado

Espesor delosa "E"

JUNTAS TRANSV. DE DILATACIN


JUNTAS TRANSVERSAL DE DILATACIONEn intersecciones asimtricas o en T no deben colocarse pasadores, de modo de permitir movimientos horizontales diferenciales

Material de Sellado

Material de Relleno

Espesor delosa "E" 1,2 E

6 a 10 E 20 mm


Barra de Unin corrugada

EE/3 E/2

Se construyen para controlar la fisuracin longitudinal. Se ejecutan (por aserrado) cuando se pavimentan 2 o ms

trochas simultneamente. La transferencia de carga se efecta por trabazn entre

agregados.

JUNTAS LONGITUDINAL DE CONTRACCIN


JUNTAS LONGITUDINALES

Siendo:c = Tensin en Junta Longitudinal (kg/m m)c = Densidad del Hormign.L/2 = Distancia al borde Libre ms cercano. = Friccin en apoyo (subrasante/subbase)E = Espesor de Calzada de Hormign

2= Lcc E

DIMENSIONAMIENTO DE BARRAS DE UNIN


Se ejecutan cuando la calzada es construida en distintas etapas. En caso de posibles ampliaciones, es conveniente dejar los bordes

con machimbre.

JUNTAS LONGIT. DE CONSTRUCCIN

semicircular o trapezoidal

Barra de Unin corrugada

Machimbrado

EE/2


MACHIMBRE: TRAPEZOIDAL O SEMICIRCULAR.

JUNTAS LONGIT. DE CONSTRUCCIN

Trapezoidal

Talud 1:4

0,2 E

0,1 E

Semicircular

0,2 EE

0,1 E


TIPO DE JUNTAS JUNTAS LONGIT. DE CONSTRUCCIN


EMPLEO DE SOBREANCHO DE CARRIL EN VAS CON ELEVADO TRNSITO PESADO

OBJETIVO:- Alejamiento de las cargas de trnsito de los bordes de calzada.- Minimiza los deterioros asociados a las cargas en bordes de calzada y esquinas.


Se minimizan los deterioros asociados a las cargas en los bordes de calzada y esquinas.

Las cargas de trnsito se convierten prcticamente en cargas internas desde el punto de vista de las tensiones y deflexiones generadas.

Usualmente se efecta un ensanchamiento del carril cargado de 60 cm. aproximadamente. No resulta conveniente el empleo de sobreanchos mayores.

La demarcacin se mantiene respetando el ancho de carril original y deber considerarse tambin el empleo de despertadores con el fin de desalentar el empleo de dichas zonas.

Admite una reduccin del espesor de calzada de 2 a 3 cm. Se considera con transferencia lateral en bordes (PCA) se emplea un factor de transferencia de carga J = 2,7 (AASHTO).



Calzada de hormign Subbase Subrasante

0,20 m

0,60 m

De 0,80 a 1,0 m

Esquema 1(diseos

originales)

Esquema 2(Propuesta

ICPA)

3,65 m

3,65 m


EMPLEO DE SOBREANCHO DE CARRIL EN VAS CON ELEVADO TRNSITO

PESADO

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 5 10 15 20 25

Edad, aos

Fisu

raci

n, %

E=25,5 cm; sin sobreancho

E=23 cm; con sobreancho

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 5 10 15 20 25

Edad, aos

Esca

lona

mie

nto,

mm

E=25,5 cm; sin sobreancho

E=23 cm; con sobreancho


BANQUINA EXTERNA RGIDA VINCULADA Es recomendable que las banquinas se construyan del mismo material que la calzada principal con el fin de facilitar las condiciones de construccin, mejorar la performance global del pavimento y reducir los costos de mantenimiento (Fuente: FHWA - Technical Advisory T-5040.29 Paved Shoulders). La vinculacin al borde externo de calzada permite una reduccin significativa de las deflexiones y tensiones generadas por cargas, reduciendo los espesores de diseo (de 2 a 3 cm.). Se recomienda el empleo de banquinas vinculadas de espesor total (considerar el empleo de seccin variable). En ocasiones se incorporan a los pavimentos en servicio con el fin de incrementar su capacidad estructural (Retrofit). Minimiza la infiltracin de agua (mejor drenaje superficial).

BANQUINA EXTERNA RGIDA VINCULADA


CALZADA DE ESPESOR VARIABLE


Incrementar la vida til del pavimento sin que exista un mayor costo de construccin.

Reducir el costo de construccin de calzada de hormign sin afectar la serviciabilidad del pavimento.

El espesor de calzada es la variable que en mayor medida incide en la capacidad estructural y en el construccin de la estructura.

Los bordes externos de calzada son los sectores ms solicitados por el trnsito.

CALZADA DE ESPESOR VARIABLETeniendo en cuenta que:

Entonces, Una calzada de espesor variable permite variar el espesor de acuerdo a las solicitaciones impuestas por el trnsito en los distintos carriles, permitiendo:

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