Leer más - ConcretOnline

JORNADA DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE PAVIMENTOS DE HORMIGON
DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS
Ing. Diego H. Calo
Ciudad de Córdoba
2 de Noviembre de 2009
2
Mecanismos de falla en Pavimentos Rígidos
¿Por qué es importante conocer los mecanismos de falla
en Pavimentos de Hormigón?
• “Resulta imposible o impracticable diseñar y construir pavimentos que
no exhiban ningún tipo de deterioro durante la vida proyectada”
• “El principal desafío constituye controlar la evolución en el tiempo de los
mismos”
• “La clave principal para lograr este objetivo radica en que tanto los
responsables del diseño como de su construcción conozcan
acabadamente los tipos de deterioros que pueden desarrollarse en
pavimentos rígidos y las causas asociadas a dichos fenómenos”.
• “Debemos identificar aquellos factores vinculados tanto al diseño como a
la construcción que afectan el comportamiento del pavimento tanto a
corto como a largo plazo y por consiguiente se tomarán, en cada una de
estas etapas, los recaudos necesarios para su control”
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
3
Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple
Fisuración Transversal
Descripción:
Fisuras
con
orientación
predominantemente perpendicular 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.
Como evitarlas:
• Selección de espesores de calzada adecuados a las
solicitaciones impuestas.
• Diseño adecuado de juntas.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
4
Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple
Fisuración Longitudinal
Descripción:
Fisuras
con
orientación
predominantemente paralela al eje del pavimento.
Causas posibles:
• Fisuración temprana por aserrado tardío.
• Fisuración por fatiga: espesor de calzada insuficiente
y/o separación de juntas excesiva.
• Reflexión de fisuras de capas inferiores o de losas
adyacentes.
• Asentamientos diferenciales.
Como evitarlas:
• Diseño adecuado de juntas.
• Control de heterogeneidades en subrasante.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
5
Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple
Rotura de Esquina
Descripción: Fisura que intersecta una junta transversal
con una junta longitudinal o borde de calzada orientada
en general a 45º del eje del pavimento.
Causas posibles:
• Pobre transferencia de carga.
• Losas con ángulos agudos.
• Pérdida de soporte por erosión.
Como evitarlas:
• Transferencia de carga adecuada en tránsito pesado.
• Diseño adecuado de juntas en superficies de
geometría irregular.
• Provisión de una subbase resistente a la erosión bajo
tránsito pesado.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
6
Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
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 limos).
• 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.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
7
Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
Carga
Losa anterior
Losa posterior
Agua
Base / Subbase
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
8
Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
Carga
Losa anterior
Losa posterior
Base / Subbase
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
9
Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
Carga
Losa anterior
Losa posterior
Base / Subbase
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
10
Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
Carga
Losa anterior
Losa posterior
Base / Subbase
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
11
Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
Carga
Escalonamiento
Losa anterior
Losa posterior
Base / Subrasante
Acumulación de finos
Erosión de material
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
12
Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
1ER ETAPA
Junta
Longitud.
Juntas Transversales
Tránsito
Banq. Externa
Escalonamiento Inicial
2DA ETAPA
Incremento del
escalonamiento
Banq. Externa
Eyección de Finos
3ER ETAPA
Fisuración
Transversal
Banq. Externa
Eyección de Finos
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
13
Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple
Levantamiento de Losas
Descripción: Movimiento localizado hacia arriba de la
superficie del pavimento en zona de juntas o fisuras, a
menudo acompañado de una defragmentación.
Causas Posibles:
• Entrada de materiales incompresibles en la zona de
junta.
• Expansiones térmicas excesivas.
• Inadecuado diseño de juntas en intersecciones y
contra estructuras fijas.
• Expansiones por Reacción Álcali - Sílice.
Como evitarlas:
• Diseño adecuado de juntas en intersecciones.
• Especificar materiales de sello adecuados que
prevengan la infiltración de agua y materiales
incompresibles.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
14
Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple
Despostillamientos
Descripción: Defragmentación localizada de los
labios de las juntas o fisuras.
Causas Posibles:
• Entrada de materiales incompresibles en las juntas
o fisuras.
• Hormigón debilitado por falta de compactación, de
durabilidad o por aserrado prematuro o por retiro de
moldes en juntas de construcción.
Como evitarlas:
• Especificar materiales de sello adecuados que
prevengan la infiltración de agua y materiales
incompresibles.
• Mantener los sellos en buen estado de
conservación.
• Diseño adecuado de juntas.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
15
Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple
Rugosidad
Descripción: Desviaciones de la superficie del
pavimento respecto a una superficie perfectamente
plana que afectan la dinámica de los vehículos, el
confort de circulación y las cargas dinámicas.
Causas:
• Rugosidad inicial de construcción.
• Evolución de otros deterioros.
Como evitarla:
• Especificar equipamiento de construcción acorde
con la rugosidad inicial requerida.
• Proveer desde la etapa de proyecto las condiciones
para alcanzar el nivel de rugosidad especificado.
• Controlar adecuadamente la evolución de los
restantes deterioros.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
16
OBJETIVO DEL DISEÑO
• Provisión de un soporte razonablemente uniforme (control de
cambios volumétricos en subrasantes expansivas y de la acción
de la helada en zonas donde se prevé el congelamiento de la
subrasante).
• Prevención del bombeo mediante subbases adecuadas en caso
de tránsito pesado.
• Seleccionar espesores de diseño acordes con el tránsito previsto
y las condiciones de soporte.
• Diseño adecuado de juntas.
• Evaluación de los materiales componentes del hormigón que
aseguren los requisitos de resistencia y durabilidad durante la
vida proyectada.
• Especificar el empleo de materiales de sello adecuados y
resistentes al intemperismo.
• Especificar para su construcción el empleo de tecnologías
acorde con la lisura que se pretende.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
17
SUBRASANTE / SUBBASE
Cualquier 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.
• Resistencia a la erosión en pavimentos sujetos a importantes volúmenes
de tránsito pesado.
CUALQUIER PAVIMENTO DE HORMIGÓN EXPERIMENTARÁ
PROBLEMAS CON SUBRASANTES Y SUBBASES NO
APROPIADAMENTE DISEÑADAS Y CONSTRUIDAS
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
18
¿Cuándo es necesario una subbase?
El empleo de una subbase es necesaria cuando:
• Cuando la combinación de suelos de subrasante, disponibilidad de
agua y tránsito pesado prevé riesgo de bombeo y la presencia de
deterioros asociados a la misma.
• Cuando se requiere garantizar un apoyo uniforme y estable al
pavimento o para facilitar las tareas constructivas.
Excepciones:
• Tránsito: Cuando el tránsito medio diario previsto de vehículos
pesados es inferior de 200 VP/día ó cuando la cantidad de ejes
equivalentes de diseño es inferior de 1.000.000 EE´s de 8,2 T.
• Drenaje Natural: Un suelo de subrasante que es naturalmente
drenante no bombeará debido a que el agua percolará a las capas
inferiores a través de la subrasante y no permanecerá por debajo del
pavimento.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
19
Influencia de la Subbase en el espesor de
calzada
La resistencia de la subrasante se valora mediante su módulo de
reacción. La incorporación de una subbase al pavimento incrementa
significativamente el módulo de reacción combinado subrasante/subbase.
El espesor de calzada de hormigón
de diseño es relativamente poco
sensible a la rigidez de su apoyo
por lo que no es una decisión
adecuada incrementar la resistencia
o el espesor de la subbase con el
fin de reducir el espesor de calzada.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
20
Influencia de la Rigidez de apoyo en las
tensiones generadas
Caso 1: Fundación Perfectamente Rígida
Esubbase = ∞
Esubbase = ∞
Debido a la rigidez de la fundación, la carga
no genera deflexiones ni tensiones en la losa.
Durante una carga medioambiental, la
fundación no acompaña la deformación de la
losa y se genera pérdida de apoyo.
Caso 2: Fundación Muy Flexible
Esubbase = 0
Debido a la falta de soporte la losa deflecta
significativamente y se generan elevadas
tensiones de flexión.
Esubbase = 0
Durante una carga medioambiental, la
fundación acompaña la deformación de la
losa manteniendo su soporte.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
21
Resistencia a la Erosión
Clase
Potencial de Erosión
Tipo de Material
A
Extremadamente
Resistente a la erosión
Hormigón pobre con 7% - 8% de cemento ó
concreto asfáltico con 6% de asfalto.
B
Resistente a la erosión
Material granular tratado con 5% de cemento.
C
Resistente a la erosión
bajo ciertas condiciones
Material granular elaborado en planta con 3,5%
de cemento o 3% de asfalto.
D
Bastante erosionables
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.
E
Muy erosionables
Materiales granulares contaminados no tratados;
Suelos finos no estabilizados.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
22
Subbases granulares
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.
Si el material cuenta con excesivos
contenidos de finos, la capa puede
almacenar agua encontrándose
disponible para la erosión por bombeo
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.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
23
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.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
24
Subbases tratadas con cemento
Ventajas:
•
Incremento de la resistencia a la erosión.
•
Evita la consolidación debido a cargas
pesadas.
•
Menores deflexiones.
•
Mejor Eficiencia en la transferencia de carga.
•
Elevada capacidad de carga (mayor “k”), con
reducción 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 climáticas.
Considerar siempre el empleo de
Subbases tratadas con cemento.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
25
Subbases 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).
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.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
26
Subbases tratadas con Asfalto
Requisitos:
• Espesor mínimo: 5 cm.
• 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.
• Una terminación lisa es conveniente (menor
fricción).
• En verano mantener la cancha humedecida o
blanquearla (Riego de agua con cal.)
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
27
SUBBASES - SOBREANCHO
• Provee un apoyo estable y uniforme a la
orugas del equipo pavimentador.
• Mejor calidad final de terminación.
• Reduce las demoras por malas condiciones
climáticas.
• Mejora las condiciones de soporte de los
bordes de calzada.
• Brindan una mejor aislación en zonas de
subrasantes formadas por suelos
susceptibles a cambios volumétricos.
• Se debe especificar un sobreancho de 60 a
80 cm para ½ calzada y de 80 a 100 cm para
ancho completo.
Es
ALTAMENTE
recomendable
para
pavimentación con TAR, incorporar un
sobreancho de la subbase a fin de que le
provea una apoyo estable y uniforme a las
orugas de la pavimentadora.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
28
TRANSFERENCIA DE CARGAS
DEFLEXIONES EN PAVIMENTOS DE HORMIGÓN
5 Di
Borde Externo del Pavimento
Carril 3,65 m.
3.5 Di
2.5 Di
Di
Di
2 Di
Junta longitudinal Central
(actúa como banq. de Hº)
Junta Transv. sin pasadores
Junta Transv. con pasadores
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
29
TRANSFERENCIA DE CARGA
Es la capacidad de una losa de transferir su carga a una losa
vecina
D1 = X/2
D1 = x
D2 = X/2
D2 = 0
Mala Transferencia de Carga
• Trabazón entre agregados
• Pasadores
• Banquina de hormigón
– Banquina Vinculada
– Cordón Cuneta
– Sobreancho de Carril
Buena Transferencia de Carga
Tienen un
efecto similar
Con cordón integral,
si el cordón se ejecuta en una
segunda etapa, no hay
contribución estructural
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
30
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).
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
31
EMPLEO DE SOBREANCHO DE CARRIL EN
VÍAS CON ELEVADO TRÁNSITO PESADO
• Se minimizan los deterioros asociados a las cargas en los bordes de
calzada y esquinas.
• Las cargas de tránsito se convierten prácticamente en cargas internas
desde el punto de vista de las tensiones y deflexiones generadas.
• Usualmente se efectúa un ensanchamiento del carril cargado de 60
cm. aproximadamente. No resulta conveniente el empleo de
sobreanchos mayores.
• La demarcación se mantiene respetando el ancho de carril original y
deberá considerarse también el empleo de “despertadores” con el fin
de desalentar el empleo de dichas zonas.
• Admite una reducción del espesor de calzada de 2 a 4 cm. Se
considera con transferencia lateral en bordes (PCA) ó se emplea un
factor de transferencia de carga J = 2,7 (AASHTO).
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
32
TRANSFERENCIA DE CARGA EN BORDES
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
Propiedades físicas y mecánicas del
Hormigón
33
•
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 elevada
resistencia. Se recomienda diseñar con una
resistencia media a flexión a 28 días del
orden 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.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
34
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).
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
35
Ubicación Crítica de Cargas
Junta transversal
Junta transversal
Carril
Eje
Tándem
Banquina de Hormigón
(si existe)
Posición crítica de la carga para
las Deformaciones
Carril
Eje
Tándem
Banquina de Hormigón
(si existe)
Posición crítica de la carga para
las Tensiones de Flexión
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
36
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
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
37
Limitaciones
• En el análisis 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 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.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
38
METODO AASHTO 1993
AASHO 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.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
39
METODO AASHTO 1993
Factores involucrados en el diseño
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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).
Siempre incorporar
Desvío Global (so).
el valor medio o más
probable
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
40
Transferencia de Carga - Efecto de pasadores y
Banquina de Hormigón
• La transferencia de carga en las juntas y bordes de calzada se tiene en
cuenta mediante el Factor de Transferencia de Carga, J.
• Depende del tipo de pavimento, de las condiciones de soporte de
bordes y de la transferencia de carga en juntas.
Soporte de Borde
ESAL´s [Millones]
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
3,0
1a3
3,2
2,7
3,6
3,1
3 a 10
3,2
2,7
3,8
3,2
10 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.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
41
Propiedades de la Subrasante /Subbase
Propiedades de la subrasante y Subbase
asociadas al diseño son:
• Módulo resiliente
subrasante (Mr)
• Tipo de Subbase (E)
• Espesor de Subbase
Pérdida de
Soporte
Módulo de reacción Combinado (kc)
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
42
Propiedades de la Subrasante /Subbase
Pérdida de soporte
• La Pérdida de soporte tiene en
cuenta la erosión de la subbase
y subrasante.
• Mediante este factor se reduce
el valor k debido a la esperada
por la erosión de la subrasante.
• Una pérdida de soporte de 0
considera la condición del suelo
en el ensayo AASHO.
• Este valor se sitúa entre 0 y 3.
A excepción que se prevea
una resistencia a la erosión
inferior a la condición de la
prueba AASHO, adoptar LOS = 0
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
43
Limitaciones
• No resulta prudente emplear ecuaciones o relaciones
determinadas empíricamente para describir fenómenos que
ocurren fuera del rango de la información original empleada para
esta relación.
• Si bien el ensayo AASHO constituye el ensayo más importante
efectuado en materia de pavimentos, constituye una base
empírica insuficiente para el diseño de los pavimentos actuales.
(Ej.: 1 zona climática, 2 años en servicio, limitadas repeticiones de
carga, 1 sola subrasante, limitadas secciones de estudio, 1 solo
conjunto de materiales, etc.)
• Existen una gran cantidad de factores que tienen una fuerte
incidencia en el diseño y no son tenidos en cuenta.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
44
LIMITACIONES DEL MÉTODO AASHTO
ACTUAL
Una zona climática / 2 años
Un tipo de subrasante
Limitadas repeticiones de carga
Limitadas
secciones
de estudio
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
45
CLAVES 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.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
46
Suelos
Suelos
Datos
Datos
Materiales
Tránsito
Materiales
Tránsito
Clima
Clima
REVISAR DISEÑO
Diseño
DiseñoaaEvaluar
Evaluar
Respuestas
RespuestasEstructurales
Estructurales(σ,
(σ,ε,ε,δ)
δ)
Acumulación
Acumulaciónde
dedaño
dañoen
eneleltiempo
tiempo
Predicción
Predicciónde
decomportamiento
comportamiento
Fallas
Fallas Rugosidad
Rugosidad
Cumple
Cumple
Requisito
Requisito
de
deDiseño?
Diseño? NO
Confiabilidad
Confiabilidad
SI
Verificación
Verificacióndel
delComportamiento
Comportamiento
Criterio
Criteriode
defalla
falla
Diseño
DiseñoFinal
Final
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
47
EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº
FISURACIÓN POR FATIGA
CARGA SOBRE BORDE
EXTERNO Y ALABEO
CONVEXO
(situación diurna).
Tensiones
Críticas
CARGA SOBRE JUNTAS
Y ALABEO CÓNCAVO
(Situación Nocturna)
Tensiones
Críticas
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
48
EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº
ESCALONAMIENTOS DE JUNTAS
• Máximas deflexiones en esquinas
(POSICIÓN CRÍTICA).
• Concentración de tensiones en
interfase losa-apoyo.
• Disponibilidad de agua por debajo de
la losa.
• Finos disponibles para entrar en
suspensión (EROSIONABILIDAD)
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
49
EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº
RUGOSIDAD
No existe un modelo de deterioro que prediga la evolución de la
rugosidad
Se determina a partir de:
• IRI inicial de construcción
• Evolución de deterioros (fisuración, escalonamiento, etc)
• Condiciones climáticas.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
50
EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº
VERIFICACIÓN
El diseño propuesto será verificado con el criterio de verificación para cada
tipo de falla.
Fisuración
(Máximo permitido)
Escalonamiento
Rugosidad
(Máximo permitido)
(Máximo permitido)
De 10% a 45%
De 2,5mm a 5,0mm
De 2,5 m/km a 4,0m/km
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
51
¿QUE FACTORES PUEDEN ANALIZARSE?
COEFICIENTE DE DILATACIÓN TÉRMICA
70
CTE = 13 x 10-6 1/ºC
Losas Fisuradas, %
60
CTE = 12 x 10-6 1/ºC
50
CTE = 11 x 10-6 1/ºC
CTE = 10 x 10-6 1/ºC
40
CTE = 9 x 10-6 1/ºC
30
20
10
0
0
5
10
15
Edad, años
20
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
25
52
SEPARACIÓN DE JUNTAS TRANSVERSALES
Losas Fisuradas, %
100
90
S = 5,50 m
80
S = 5,25 m
70
S = 5,00 m
60
S = 4,75 m
S = 4,50 m
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
Edad, años
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
25
53
MÓDULO DE ELASTICIDAD DEL HORMIGÓN
70
E = 38 GPa
Losas Fisuradas, %
60
E = 36 GPa
E = 34 GPa
50
E = 32 GPa
40
E = 30 GPa
30
20
10
0
0
5
10
15
Edad, años
20
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
25
54
TRANSFERENCIA DE CARGA
DIÁMETRO DE PASADORES
7
Sin Pasadores
Escalonamiento, mm
6
Pasadores 25 mm
Pasadores 32 mm
5
Pasadores 38 mm
Pasadores 32 mm c-sob
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
Edad, años
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
25
55
TRANSFERENCIA DE CARGA EN BORDES Y
JUNTAS
7
Sin Pasadores
6
Sin Pasadores c-Sob
Escalonamiento, mm
Pasadores 32 mm
5
Pasadores 32 mm c-sob
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
Edad, años
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
25
56
ACPA StreetPave
• 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
• 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.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
57
MODELO DE FATIGA (PCA)
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
58
MODELO DE FATIGA (ACPA)
Numero de aplicaciones admisibles, Log N
14
 − SR −10.24 ⋅ log(S )
log( Nf ) = 

0
.
0112


12
10
PCA
0.217
S = 95%
S = 90%
S = 80%
S = 70%
S = 60%
8
S = 50%
6
4
2
0
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Relación de Tensiones
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
0.9
1
59
FACTORES INVOLUCRADOS EN EL DISEÑO
•
•
•
•
•
•
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.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
60
SUBRASANTE / SUBBASE
Valores típicos de Módulo de reacción combinado Subrasante Subbase para distintos tipos de Subbases
Valor k combinado subrasante / subbase [MPa/m]
Valor k de
Subrasante
[MPa/m]
Espesor de Subbase
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
NT: Subbase No Tratada.
TA: Subbase Tratada con asfalto.
TC: Subbase Tratada con cemento.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
61
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
62
CONFIABILIDAD
•
Es simplemente un factor de seguridad.
•
Se expresa generalmente en %.
•
Es una medida de la probabilidad de que el pavimento falle por
Fatiga.
Clasificación Funcional del
Camino
Confiabilidad Recomendada
Urbano
Rural
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
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
63
PORCENTAJE DE LOSAS FISURADAS
Nivel Recomendado de Losas Fisuradas para cada Tipo de
camino
Tipo de Camino
Porcentaje 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%
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
64
VERSIÓN ON-LINE
Versión
on-line
Versión Windows
Cálculo de la erosión total en el período de diseño
Cálculo de la fatiga total en el período de diseño
Cálculo de la vida teórica del pavimento
Recomendaciones para el diseño de espesores
Recomendaciones para la selección de pasadores
Recomendaciones para una selección adecuada de juntas:
Características
Análisis de un Pavimento de Hormigón Existente
Diseño de Pavimento de Hormigón Nuevo:
Tablas con el detalle de los consumos de Fatiga y Erosión
Consideraciones sobre espesores y la confiabilidad
Análisis de sensibilidad
Análisis del ciclo de vida
Impresión en PDF de informe final
Diseño de Pavimentos Flexibles:
Recomendaciones para el diseño de pav. Flex. equivalentes
http://www.pavement.com/StreetPave/Default.aspx
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
65
DISPOSICIÓN DE JUNTAS
El objetivo es “copiar” el patrón de fisuración que naturalmente
desarrolla el pavimento en servicio mediante un adecuado diseño y
ejecución de juntas transversales y longitudinales, e incorporar en las
mismas mecanismos apropiados para la transferencia de cargas.
Un adecuado diseño de las juntas permitirá:
⇒ Prevenir la formación de fisuras transversales y longitudinales.
⇒ Proveer transferencia de carga adecuada.
⇒ Prevenir la infiltración de agua y de materiales incompresibles a la
estructura del pavimento.
⇒ Permitir el movimiento de las losas contra estructuras fijas e
intersecciones
⇒ Dividir la construcción del pavimento en incrementos acordes a la
tecnología empleada.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
66
TIPOS DE JUNTAS
JUNTAS TRANSVERSALES
⇒ Contracción: Controlan la formación de fisuras
⇒ Construcción: Juntas de fin de jornada o por
imposibilidad de continuar con el hormigonado.
⇒ Aislación / Dilatación: permite movimientos
relativos con estructuras fijas u otros pavimentos.
JUNTAS LONGITUDINALES
⇒ Contracción: Controlan la formación de fisuras
⇒ Construcción: Pavimentación por fajas.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
67
TRANSV. DE CONTRACCIÓN- DISEÑO
Separaciones Recomendadas
• Sep. Máxima recomendada: 6,0 m.
• Bases Cementadas: 21 x E
• Bases Granulares: 24 x E
Otras Consideraciones
• Relación largo/ancho < 1,5 (Recomendado ≤ 1,25).
• Otros factores que influyen: Coef. Dilatación Térmica del Hº, Rigidez de la
base, Condiciones Climáticas, etc.
DEBE PRIMAR LA EXPERIENCIA LOCAL
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
68
Separación de Juntas Transversales
Losas Fisuradas, %
100
90
S = 5,50 m
80
S = 5,25 m
70
S = 5,00 m
60
S = 4,75 m
S = 4,50 m
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
Edad, años
MANTENER UN BAJO
ESPACIAMIENTO DE JUNTAS
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
25
69
TRANSFERENCIA DE CARGA
TRABAZÓN ENTRE AGREGADOS
Interacción de corte entre partículas de
agregados de las caras de la junta por
debajo del aserrado primario.
Resulta aceptable para vías de bajo tránsito
pesado (80 a 120 VP/d)
El grado de transferencia de carga se
encuentra afectado por:
• Espesor de losa.
• Separación entre juntas (abertura de juntas)
• Mejores condiciones de drenaje.
• Empleo de agregados triturados.
• Agregados con TM > 25 mm.
• Subbases Rígidas.
• Condiciones de soporte en bordes.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
70
TRANSFERENCIA DE CARGA - PASADORES
Deben emplearse en vías de Tránsito Pesado (donde no
es suficiente la transferencia de carga por trabazón).
Características:
Tipo de acero
Tipo I (AL-220)
Superficie
Lisa, libre de óxido y con tratamiento que impida la
adherencia al hormigón.
Longitud
45 cm.
Diámetro
25 mm para E ≤ 20 cm
32 mm para 20 < E ≤ 25 cm
38 mm para E > 25 cm
Separación
30 cm. de centro a centro
15 cm. de centro a borde
Ubicación
Paralelo al eje de calzada
Mitad del espesor de losa
Mitad a cada lado de la junta transversal
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
71
TRANSFERENCIA DE CARGA - PASADORES
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
72
LONGITUDINALES DE CONTRACCIÓN
⇒
⇒
⇒
⇒
⇒
Se construyen para controlar la fisuración longitudinal.
Se ejecutan (por aserrado) cuando se pavimentan 2 o más trochas
simultáneamente.
La transferencia de carga se efectúa por trabazón entre agregados.
Se recomienda ubicarlas junto a las líneas demarcatorias de división de
carriles (evitar las zonas de huellas).
No colocar barras de unión a menos de 40 cm. de las juntas transversales.
Barra de Unión nervurada
E/3
E/2
E
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
73
LONGITUDINALES DE CONTRACCIÓN
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
74
TRANSVERSALES DE CONSTRUCCIÓN
⇒
Se efectúan al final de la jornada de trabajo o en interrupciones programadas
(puentes, estructuras fijas, intersecciones) o por imposibilidad de continuar
con el hormigonado.
⇒
Se deben ubicar en coincidencia con la de contracción (Tomar precauciones
cuando se pavimente por trochas).
⇒
La transferencia de carga se efectúa a través del pasador.
⇒
Principales fuentes de rugosidad. Minimizar su empleo. Intensificar los
controles con la regla de 3m.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
75
LONGITUDINALES DE CONSTRUCCIÓN
⇒ Se ejecutan cuando la calzada es construida por fajas.
⇒ En caso de posibles ampliaciones, dejar los bordes con
machimbre.
⇒ No ejecutar el aserrado primario.
⇒ Prestar especial atención a las condiciones de
terminación de los bordes.
Barra de Unión corrugada
E/2
E
Machihembrado
semicircular o trapezoidal
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
76
JUNTAS DE DILATACIÓN
⇒
Aíslan el pavimento de otra estructura, tal como otra zona
pavimentada o una estructura fija.
⇒
Ayudan a disminuir tensiones de compresión que se desarrollan
en intersecciones en T y asimétricas.
⇒
Su ancho debe ser de 12 a 25 mm, ya que mayores dimensiones
pueden causar movimientos excesivos en las juntas cercanas
(pérdida de trabazón entre agregados, rotura de sellos)
⇒
La transferencia de carga se efectúa a través del pasador, sino
debe realizarse sobre espesor de hormigón.
⇒
En pavimentos sin pasadores las 3 o 4 juntas próximas a la de
dilatación deben ejecutarse con pasadores.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
77
JUNTAS DE DILATACIÓN
¿ Cuando se necesitan juntas de dilatación a intervalos regulares?
Casos Excepcionales:
⇒
Cuando se emplean losas de elevada longitud (Mayor de 18 metros).
⇒
La construcción del pavimento se efectúa a muy baja temperatura
(Menor de 5ºC).
⇒
Cuando no se efectúa mantenimiento de juntas, permitiendo la libre
entrada de materiales incompresibles.
⇒
Cuando los materiales con que se elaboran el hormigón
históricamente han evidenciado problemas por su elevada expansión.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
78
JUNTAS DE DILATACIÓN
Pasador
D= 25, 32 o 38 mm
Material de Sellado
Cápsula (30 mm de carrera libre)
1/2 E
Espesor de
losa "E"
Material de Relleno
20 mm
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
79
JUNTAS DE DILATACION
En intersecciones asimétricas o en T no deben colocarse pasadores, de
modo de permitir movimientos horizontales diferenciales
Material de Sellado
Espesor de
losa "E"
6 a 10 E
1,2 E
20 mm
Material de Relleno
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
DISPOSICIÓN DE JUNTAS EN
INTERSECCIONES
80
REGLAS GENERALES
QUE HACER
• Respetar
las
separaciones
máximas recomendadas.
• Mantener la relación de esbeltez
por debajo de 1,5. Recomendado
L/A < 1,25.
• Coincidir
con
juntas
de
pavimentos existentes.
• Coincidir juntas con estructuras
fijas (usualmente en pavimentos
urbanos).
• Colocar
armadura
distribuida
(µ>0,05%) en ambas direcciones en
losas de esbeltez mayor de 1,5.
QUE NO HACER
• Ancho de losas < 0,3 m.
• Ancho de losas > 4,5 m. o a la sep.
máxima recomendada.
• Ángulos < 60º (recomendado ~ 90º)
• Esquinas interiores.
• Formas irregulares (mantener losas
tan cuadradas como sea posible).
• Ubicar juntas
zona de huellas.
longitudinales
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
en
81
Paso 1
1. Dibujar los bordes de calzada y los cordones cuneta (si existen).
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
82
0.5 - 1.0 m
0.5 m
Paso 2 y 3
2. Trazar paralelas a los bordes donde se producen cambios en el ancho de calzada.
3. Dibujar las líneas que definen los carriles de ambas arterias.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
83
Paso 4
4. Definir los carriles principales para pavimentación. Donde los carriles intercepten las
auxiliares trazadas extender las líneas más allá de las paralelas.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
84
Paso 5
5. Trazar juntas transversales donde el pavimento cambia de ancho. No prolongar juntas
que alcancen una auxiliar. La juntas en la arteria transversal que se encuentran más
alejadas de la principal deberá ser de dilatación.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
85
Paso 6
6. Agregar juntas transversales intermedias a las anteriores. Mantener el espaciamiento
por debajo de las máximas recomendadas.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
86
Paso 7
7. Extender los bordes del pavimento para definir la “zona de intersección”.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
87
?
?
?
?
Paso 8
8. Chequear las distancias entre la “zona de intersección” y las juntas adyacentes.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
88
Paso 9
9. Agregar juntas intermedias con espaciamientos uniformes, si las separaciones son
mayores a la máxima deseada.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
89
Paso 10
10. Trazar líneas desde el centro de la curva a los puntos definidos por la “zona de
intersección” y a cualquier junta intermedia alrededor de la intersección. Agregar juntas a
lo largo de las mismas. Analizar y resolver los puntos conflictivos.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
90
Reposicionar junta
por alcantarilla
Junta de Dilatación
perimetral
Armadura
Ajustar junta
Tapa de
Inspección
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
91
GRACIAS
ING. DIEGO H. CALO
DIVISIÓN PROYECTOS Y DESARROLLO
[email protected]
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO