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
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
Componentes Principales del Sistema
Junta LongitudinalJunta Transversal
SubrasanteSubbase o base
Espesor
Pasadores
Calzada de Hormign
Barras de Unin
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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
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5
Tensiones en Pavimentos Rgidos
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
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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.
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Tensiones en Pavimentos Rgidos
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
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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%)
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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
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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
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Carga
AguaBase / Subbase
Losa anterior Losa posterior
Erosin por Bombeo y Escalonamiento
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12
Carga
Base / Subbase
Losa anterior Losa posterior
Erosin por Bombeo y Escalonamiento
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13
Base / Subbase
Losa anterior Losa posterior
Carga
Erosin por Bombeo y Escalonamiento
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14
Carga
Base / Subbase
Losa anterior Losa posterior
Erosin por Bombeo y Escalonamiento
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15
Carga
Base / Subrasante
Losa anterior Losa posterior
Escalonamiento
Erosin por Bombeo y Escalonamiento
Acumulacin de finosErosin de material
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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
Erosin por Bombeo y Escalonamiento
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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.
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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
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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.
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Bases de Hormign PobreRequisitos:
Espesor mnimo: 10 cm.
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
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Bases tratadas con AsfaltoRequisitos:
Espesor mnimo: 5 cm.
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.)
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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
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23Transferencia de Carga en Juntas Transversales
Trabazn entre agregados por debajo del aserrado primario
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24Transferencia de Carga en Bordes de Calzada
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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
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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%)
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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%)
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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).
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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
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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
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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.
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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.
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Circuitos de Ensayo AASHO
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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
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( )+
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
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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
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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.
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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:
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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
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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.
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41
MODELO DE FATIGA (PCA)
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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
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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
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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 =
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Ejemplo (ACPA StreetPave)45
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Ejemplo (ACPA StreetPave)46
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Ejemplo (ACPA StreetPave)47
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Ejemplo (ACPA StreetPave)48
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Ejemplo (ACPA StreetPave)49
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Ejemplo (ACPA StreetPave)50
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Ejemplo (ACPA StreetPave)51
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Ejemplo (ACPA StreetPave)52
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Ejemplo (ACPA StreetPave)53
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Ejemplo (ACPA StreetPave)54
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ING. DIEGO H. CALO
COORDINADOR
DEPARTAMENTO TCNICO DE PAVIMENTOS
GRACIAS
55
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