Diseño de Pavimentos de Concreto Rígido: Recomendaciones Clave

18-08-2015
Recomendaciones claves para el
Diseño de pavimentos de concreto
Lima, 20 de Agosto 2015
Temario
• Dimensionamiento de los Pavimentos Rígidos
• Directrices y recomendaciones de diseño:
•
•
•
Juntas
Capas de subrasante y bases
Bermas y sobreanchos
• Consideraciones relacionadas con las mezclas de
concreto para pavimentos.
Dimensionamiento de los
Pavimentos Rígidos
Algunos Fundamentos de Diseño Estructural
1
18-08-2015
Pavimento de Hormigón
(Pavimento Rígido)
Pavimento de Asfalto
(Pavimento Flexible)
Características de transmisión geométrica y de
carga de los pavimentos flexibles y rígidos:
Sección transversal tipo de pavimento flexible
Transmisión de carga en pavimento flexible
Sección transversal tipo de pavimento rígido
Transmisión de carga en pavimento rígido
Fundamentos de los métodos de diseño
Mecanicista - puramente científico y basado en
medidas, normas y leyes científicas defendibles
Empírico – basado en observaciones o la
experimentación, requiere una gran cantidad de
pruebas para conectar todas las relaciones
Tomado de Rodden R. Diseño y Especificaciones Técnicas en Pavimentos Hormigón, Santiago 2015
2
18-08-2015
Modelo de Westegaard
•
•
Capa de hormigón: una placa
Subrasante: Fundación Winkler
HPCC, EPCC, µPCC
k
D ∇ 4 w( x, y ) + k w( x, y ) = p ( x, y )
D=
•
EPCC h 3PCC
12(1 − µ 2PCC )
Escala: Radio de rígidez relativo
l=4
D
D
k
E, ν, αt
Subbase
Donde:
i = radio de rigidez relativa
E = módulo de la elasticidad del hormigón.
D = espesor del pavimento.
k = módulo de reacción.
n = relación de Poisson del hormigón.
Subrasante
k
Donde:
σ = El esfuerzo en el borde de la losa debido al alabeo por temperatura
αt = coeficiente de expansión térmica del hormigón.
∆ t = diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior de la
losa.
C = factor de corrección para una losa finita, determinada usando L /i,
Efecto de las Cargas
Definición del problema y posiciones de las cargas
consideradas por Westergaard.
Los esfuerzos causados ​por la carga de tráfico en una losa de pavimento de hormigón
dependen de la ubicación de la carga, entre otros factores.
Si la carga se realiza en el interior de la losa, lejos de las esquinas, el nivel de tensión es
generalmente bajo. Por lo tanto, las soluciones analíticas se han desarrollado para cargas
aplicadas en las esquinas, bordes, y en el interior de las losas de pavimento de hormigón
3
18-08-2015
Esfuerzos y Deflexiones por Tráfico
• El tráfico, es la principal causa de esfuerzos en pavimentos
• Las cargas de tráfico crean esfuerzos de flexión
• La aplicación repetida de cargas puede resultar en
agrietamiento de fatiga
• La posición crítica de las cargas de tráfico es, generalmente,
en el borde exterior de la losa
Soluciones de Westergaard
Maximas Tensiones de Tracción
3.5
3
Edge loading
2.5
2
Abajo
Corner loading
Arriba
1.5
1
Interior loading
0.5
0
0.10
0.15
a
l
0.20
Carga Interna
Abajo
0.25
Deflecciones Máximas
9
8
Corner loading
7
6
Edge loading
5
4
3
Interior loading
2
1
0
0.10
0.15
a
0.20
0.25
l
Lecciones de Westegaard
•
Agrietamiento
• Se desarrolla desde abajo hacia arriba
• Carga Crítica: Borde de la Losa
• Se mitiga; aumentando el espesor y la resistencia de
hormigón y disminuyendo el módulo de elasticidad
•
Daño a la Subrasante
• Excesiva deflección en las esquinas
• Carga crítica: Esquina de la Losa
• Se mitiga aumentando el espesor de hormigón y el módulo de
elasticidad
4
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Limitaciones de las Soluciones de Westergaard
• Losa solitaria
– Sin juntas
• Infinito/semi-infinito en dirección horizontal
– No considera efecto del tamaño de losa
• Losa de una capa
– No considera bases estabilizadas
• Contacto y apoyo perfecto con la fundación
– No considera pérdida de soporte por alabeo o erosión
• Rueda única
– No considera cargas de eje ni camiones
Métodos de Diseño para Pavimentos Nuevos
•
•
•
•
•
•
AASHTO 93
PCA – Mecanicista
AASHTO 98 (solamente en Chile)
M-EPDG – Mecanicista-Empírico
Basados en Elementos Finitos
Optipave (losas cortas)
Métodos de diseño más comunes empleados en USA
AASHTOWare Pavement ME
(previamente conocido como
DARWin-ME y MEPDG)
AASHTO 93
(ACPA WinPAS)
ACPA
StreetPave
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5
18-08-2015
Programa de Elementos Finitos
•
KenSlab (Huang 1973), JSLAB (Tayabji
1977), EverFE (1999)
•
ILLISLAB
•
•
•
•
•
Tabatabai and Barenberg (1978) – bases
multiples, lámina de base layer, juntas con
barras de transferencia de carga
Ioannides (1985) – Pasternak y fundaciones
elasticas de medio espacio
Korovesis (1989) – Alabeo de las losas,
separación con la subrasante
Khazanovich (1994) – Distribución de
temperatura no lineal, separación entre losa y
base
Roesler and Khazanovich(1997) – Basado en
mecánica de fracturas. Modelación de grietas
parciales
Deflections
0.0535
0.0512
0.0477
0.0442
0.0407
0.0371
0.0336
0.0301
0.0266
0.0231
0.0196
0.0161
0.0126
0.0091
0.0079
• ISLAB 2000
Comparación entre métodos
Procedimiento
Tipo
Agrietamiento
Abajo
Arriba
Arriba
Abajo
Escalonamiento
Calidad de
manejo
AASHTO-93
E
No
No
No
Sí
PCA
ME
Sí
No
Erosión
No
MEPDG
ME
Sí
Sí
Sí
Sí
E = Empírico
ME = Mecánico-Empírico
Ecuación de diseño AASHTO-93
Cambio en Serviceabilidad
Desviación Estándar Total
Desviación Estándar
Normal
Log(ESALs)
= ZR S0 + 7.35
+ 4.22 - 0.32pt
Log(D
Módulo de
Ruptura
Serviceabilidad
Final
(


 ∆ PSI

 Log

 4.5 - 1.5 




+ 1) - 0.06 +


7
1.624
* 10
1 +

8 . 46
D + 1

Coeficiente

Espesor
)* Log


S'



215.63


c
Transferencia
de carga
*C
(
De drenaje
d
[
* D

* J * D

0.75
0.75
− 1.132
]
18.42
-
(E c
Módulo
de Elasticidad
/ k
)
0 . 25
)








 
Módulo de
Reacción
de la
subrasante
6
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Fuente: Edgardo Becker
Fuente: Edgardo Becker
Desempeño estimado subjetivamente
• Present Serviceability Index
(PSI)
•
•
•
•
•
4.0 – 5.0 = Muy Bueno
3.0 – 4.0 = Bueno
2.0 – 3.0 = Regular
1.0 – 2.0 = Pobre
0.0 – 1.0 = Muy Pobre
• Tipicamente en las agencias
estatales de los Estados
Unidos
la Serviciabilidad final
en la práctica es igual a 2.5
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AASHTO 93 / WinPAS
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Diseño Mecanicista-Empírico (MEPDG)
Clima
Tráfico
Materiales
Estructura
Daño
Tiempo
Respuestas
Acumulación de
daño
Deterioros
MEPDG / DARWin-ME /
AASHTOWare Pavement ME
8
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AASHTOWare Pavement ME Design
• Cerca de 20 años de desarrollo hasta ahora
• Método de diseño y el software no son "perfectos"; no pretende
ser alguna vez un producto "final" ... en vez, un marco para el
diseño
• Complejo y relativamente costosa
• Los modelos no se han desarrollado para la calles, carreteras,
estacionamientos, etc.
=
+
Mecanicista
Empírico
Calculo de la
respuesta
Relacionado a
la zona
Predicción del
desempeño del
pavimento
NCHRP 1-26/IDOT
 L
l
 AGG 
d
 × f 3   + R × σ W ,curl
 kl 
l
σ = σ W ,load (aeff )× f1   × f 2 
a S 
aeff = a × g1  , 
l l
Salsilli, Barenberg, and Darter (1997)
a = Radio de la rueda
S = separación de las ruedas
AGG = Rígidez de roce de los agregados
L = separacion entre juntas
d = distancia desde el borde
LogN = 17.61−17.61
σ
MOR
N = Numero de pasadas posibles
MOR = Resistencia a la flexotracción
Los modelos son complejos
• Pata JPCP, predice
• Agrietamiento
• Escalonamiento
• International Roughness Index (IRI)
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Diferencias típicas entre los
procedimientos de diseño
empíricos y el MEPDG, en
términos de la
caracterización de los PCC
28
PCC: Portland Cement Concrete
Caracterización del PCC:
Caracterización del PCC:
• Módulo de Ruptura
Vinculo limitado entre las
propiedades de la capa PCC y los
criterios de diseño / propiedades
de la mezcla
• Módulo de Elasticidad, Módulo
de Ruptura, Relación de Poisson
• Contenido de Aire, Peso
Unitario, Relación A/C, Cantidad
de Cemento, Gradación
• Coeficiente de Expansión
Térmica
• Tipo de cemento (propiedades)
Vinculo directo entre las
propiedades del PCC para
establecer los criterios de diseño
de la mezcla
Propiedades Volumétricas y
Mecánicas:
Propiedades Volumétricas y
Mecánicas:
• Contenido de Aire, Agua,
Asentamiento (Cono), Relación
A/C, Gradación.
• Tipo de Cemento
• Módulo de Ruptura
• Peso Unitario, Contenido de
aire, Relación A/C, cantidad de
cemento, Gradación.
• Módulo de Elasticidad, Módulo
de ruptura
• Coeficiente de Expansión
Térmica
• Tipo de Cemento (propiedades)
Las 10 entradas más sensibles en
Pavement ME Concrete Design
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Resistencia a la flexión de hormigón a los 28-Días
Espesor de hormigón
Superficie de onda corta absorbencia (SSA)
Espaciado entre juntas
Módulo de Elasticidad de hormigón a los 28-Días
Diseño ancho de ruta con unos 4,3 m (14 pies) Ensanchamiento de la Losa
7. Soporte en el borde por ensanchamiento de la
losa
8. Conductividad térmica de hormigón
9. Coeficiente de hormigón de expansión térmica (CET)
10. Hormigón Unidad de peso
Rojo = entrada exclusiva de Pavement ME
azul + negrilla = entrada comun para AASHTO 93 y Pavement ME
10
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PCC overlays
(JPCP/CRCP)
Capas de Refuerso con
Hormigón
(adheridos y no adheridos)
Ultra-Thin PCC overlays: No pueden ser
diseñados con la MEPDG.
Debido a que el espesor mínimo de los
recapados de JPCP es de 6 pulg (15 cm).
Y el espesor mínimo de CRCP es 7
pulgadas (18 cm).
Además la separación de juntas debe ser
de mínimo 10 pies (3 metros) o más.
Efecto de la Temperatura
Alabeo Térmico
• El diferencial de temperatura entre la superficie y el fondo de la
losa, induce esfuerzos de alabeo
• Este diferencial o gradiente puede ser positivo o negativo
Un gradiente térmico positivo (diurno),
alabea la losa hacia abajo en las esquinas
(convexa)
Un gradiente térmico negativo
(nocturno), alabea la losa hacia arriba
en las esquinas (cóncava)
11
18-08-2015
Alabeo Térmico
• El gradiente positivo induce
tracciones en la parte inferior
de la losa
• Situación Crítica: cuando la
rueda carga el borde de la losa
• El gradiente negativo induce
tracciones
en
la
parte
superior de la losa
• Situación Crítica: cuando la
rueda está en la esquina de la
losa
• La magnitud dependerá de las
propiedades
de
la
losa,
condiciones
de
apoyo
y
gradiente térmico
Alabeo por Humedad
Es causado por diferencias de
humedad entre la superficie y el fondo
de la losa.
Mayor humedad en la superficie de la
losa, resulta en un alabeo “hacia
abajo” (convexo) y viceversa
Contenido de humedad a través
de la losa:
• Climas húmedos:
aproximadamente constante
• Climas secos: superficie más
seca que el fondo
Alabeo por Humedad
Los
gradientes
de
humedad, normalmente se
convierten a un gradiente
térmico equivalente.
El
gradiente
térmico
equivalente
debido
a
humedad, es mucho menor
que
el
debido
a
temperatura, por lo que
usualmente se desprecia.
El gradiente de humedad no cambia diariamente (como el térmico) y por lo
tanto, normalmente se ajusta estacionalmente.
Los esfuerzos inducidos por el alabeo por humedad, son parcialmente
compensados por el “creep” durante la vida del pavimento
12
18-08-2015
Que es el Alabeo de Construcción?
El alabeo de construcción es una curvatura
cóncava permanente de la losa de hormigón,
producida por diferenciales de temperatura y
retracción hidráulica entre la parte superior e
inferior de la losa.
Parámetros relacionados con el hormigón
Propiedades de las mezclas
Retracción de fraguado
Retracción a 365 Días
Se recomienda utilizar por defecto un valor de 0,0007.
La retracción del hormigón es un parámetro de gran importancia en el hormigón
que afecta la transferencia de carga que habrá entre dos juntas. Como se ve en
la imagen, esta retracción va aumentando a medida que el hormigón se va
endureciendo, hasta un punto en el que baja bruscamente y luego se estabiliza.
La retracción en este punto es irreversible ya que no disminuye si se sigue
saturando la mezcla. Por defecto la Retracción a 365 días se determina
aumentando en un 30% este valor final.
13
18-08-2015
Parámetros relacionados con el hormigón
Propiedades de las mezclas
Retracción de fraguado
Retracción Reversible
La retracción puede ser un fenómeno reversible, si se utilizan métodos de curado
adecuados, por ejemplo, la saturación después de la retracción que dilatará casi a su
volumen original a la estructura.
Esta recuperación es lo que se conoce como retracción reversible, la cual se expresa
como porcentaje de la retracción última.
Gradiente de Construcción
El gradiente de temperatura en la losa, justo antes del fraguado final, se
manifestará como un gradiente térmico de construcción, pero de sentido
contrario. Para construcción de día, el gradiente residual será negativo
Gradiente de Construcción
El gradiente de construcción es una
estimación del alabeo inicial que se
produce en la losa debido a retracciones
diferenciales entre la parte superior y la
parte inferior de esta.
Este gradiente se expresa como el
gradiente térmico (ºC) que existiría para
tener la losa plana.
El valor depende gran parte de la época del
año cuando se construye, y del clima de la
zona.
Valores recomendados
en Chile
Zonas Húmedas sin viento -5ºC.
Zonas Húmedas con viento y zonas
secas sin viento -10ºC
Zonas Secas con viento y Altura -15º C
Condiciones extrema de evaporación de
agua -20ºC
14
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Abertura - Espaciamiento de Juntas
• El espaciamiento de juntas depende más de las características de
retracción del hormigón que de los esfuerzos en el hormigón
• La abertura de la junta se puede estimar con la siguiente ecuación:
∆L = abertura de la junta
C = factor de ajuste por fricción entre losa y base (0,8
base granular; 0,65 base estabilizada)
L = largo de losa
α = coeficiente de expansión térmica
∆Τ = rango de temperatura
ε = coeficiente de retracción del hormigón (0,5 a 2,5x10-4)
Esfuerzos por Retracción de Curado
•
La pérdida de humedad durante el curado del hormigón, produce la retracción
de la losa.
La retracción es resistida por la fricción con la base, lo que induce el
desarrollo de esfuerzos
El uso de juntas en las losas (con espaciamientos < 6 m), reduce la magnitud
de los esfuerzos de retracción
•
•
Esfuerzos por Retracción de Temperatura
• Los cambios diarios y estacionales en la temperatura, causan la
expansión/contracción de la losa
• Cuando la temperatura decrece, las fuerzas de fricción entre la losa y la base crean
esfuerzos en la losa:
σc = esfuerzo de tracción
L = largo de losa
f = coeficiente de fricción
γc = peso unitario del hormigón
Análisis de Sensibilidad – Coeficiente de
Dilatación Térmico del Hormigón
Porcentaje de losas agrietadas
20
6.5x10-6/F
σ = E (ε − ε 0 )
ε 0 = α ∆T
15
10
6.0x10-6/F
5
5.5x10-6/F
5.0x10-6/F
0
0
5
10
15
20
25
30
Edad, años
15
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Respuestas Críticas
• Aquellas que tienen relación directa con los modos de falla
• Ocurren en ubicaciones específicas dentro del pavimento:
• - Borde de la losa
• - Esquina de la losa
Agrietamiento de fatiga hacia arriba (bottom-up)
Agrietamiento de fatiga hacia abajo (top-down)
Escalonamiento en juntas (con y sin barras de traspaso de carga)
Agrietamiento de
Fatiga Hacia Abajo
Agrietamiento de
Fatiga Hacia Arriba
La respuesta crítica es el esfuerzo de
tracción al fondo de la losa
La ubicación del esfuerzo crítico es
normalmente, en el punto medio y al
fondo de la losa
La respuesta crítica es el esfuerzo de
tracción en la superficie de la losa.
La ubicación del esfuerzo crítico varía
con la configuración del eje de carga.
Las fuerzas generadas por las cargas y
el clima contribuyen a esta respuesta
crítica
Predicción de agrietamiento en MEPDG
Paso 1: Dividir periodo de diseño en incrementos de 30 días
–
“Daño” occure incrementalmente en el tiempo (hora a hora, día a día,
estación a estación, y de año a año)
Paso 2: calcular las respuestas del pavimento, en las fibras superior
en inferior de la losa
–
El software MEPDG utiliza modelos de inteligencia artificial basados en
ISLAB2000 FEM para predecir tensiones y deflexiones
Paso 3: Calcular daño de fatiga para cada incremento
–
–
–
–
–
Cada incremento es una combinación única de :
Tiempo (edad, estación) & resistencia del concreto
Cargas (cantiada, tipo de eje, peso por eje)
Gradientes térmicos equivalentes (temperatura y retracción)
Línea de tráfico (posición circulación de las ruedas)
Fatigue Damage =
Actual Number of Loads , n
Allowable Number of Loads , N
1.22
 M 
Log ( N ) = 2.0 *  r 
 σ total 
16
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MEPDG Análisis de Fatiga
Paso 4: Daño acumulado por fatiga (Incremental)
DañoFatiga = ∑∑∑∑∑∑
i
j
k
l
m
n
nijklmn
N ijklmn
1.22
 M 
Log ( N ) = 2.0 *  r 
 σ total 
nijklmn = Numero de cargas aplicadas en la condición i,j,k,…
Nijklmn = Número de cargas posibles en la condición i,j,k,…
i = Año ;
j = Temporada;
k = Combinación de ejes
l = Nivel de Carga; m = gradiente detemperatura; n = Traffic path
MEPDG Predicción de Agrietamiento
Fallas
Daño
Tiempo
Fallas
Tiempo
Daño
JPCP agrietamiento transversal
•
•
Agrietamiento arriba-abajo
Agrietamiento abajo arriba
Agrietamiento =
100
1 + Daño −1.98
MEPDG Análisis de Alabeo
1.0
Depth (1.0 = surface)
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
5
10
15
20
25
30
35
RelativeTemperature,°F
0
Gradiente de T°
Actual
Gradiente de
Construcción
20% 40% 60% 80% 100%
Gradiente de
Humedad
∆T = ∆TActual + ∆Tconstruccion + ∆TRe tracción
17
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Componentes de las tensiones de Alabeo
1.0
0.20
0.9
0.18
Depth (1.0 = surface)
0.8
Distribución de
frecuencias
De gradientes
de temperaturas
lineales por
hora
0.16
0.7
Frequency
Gradiente de
Temperatura
Actual
0.6
0.5
0.4
0.3
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.2
0.04
0.1
0.02
0.0
0.00
0
5
10
15
20
25
30
35
-32 -30 -28 -26 -24 -22 -20 -18
RelativeTemperature, °F
Alabeo de
Construcción
-16 -14
-12
Temperature difference, °F
TGBuiltIn = f (Design& Site Factors)
Relaciones Empíricas basadas en
los Resultados de calibración
Equivalent temperature gradient, °F
Gradiente de
Humedad
0
20% 40% 60% 80% 100%
4
3
2
1
0
-1
-2
Illinois
Arizona
-3
-4
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Month
Escalonamiento
(sin barras de traspaso)
Las respuestas críticas son las
deflexiones de la losa cargada y
descargada
La ubicaciones críticas son en las
esquinas de la Losa
El tráfico, la erosión de la fundación
y la humedad contribuyen a esta
respuesta crítica
Efectos
mensuales en la
Variación de la
H.R.
Expresado como
Gradiente de
temperatura
equivalente
Escalonamiento
(con barras de traspaso)
Las respuestas y las ubicaciones
críticas son las mismas que para
losas sin barras de traspaso de
carga
Adaptación del MEPDG para Condiciones
de Chile
• Encontrar estaciones climáticas similares a las condiciones
chilenas o desarrollar nuevos archivos climáticos
• Evaluar en forma crítica los valores por defecto
• Parámetros de geometría de los camiones
• Características de las mezclas y modelos
•
•
•
•
Coeficiente de Dilatación Térmico
Relación entre resistencia y módulos
Desarrollo de la Resistencia en el tiempo
Retracción
• Gradiente de Construcción
• Características de la Subrasante
18
18-08-2015
Metodo de diseño PCA(1984)
Este método de diseño está basado en las teorías de Westergaard, Pickett y Ray, y se
complementa con base en elementos finitos con los que se estudió el comportamiento
de una losa de concreto de espesor variable y dimensiones establecidas, a la cual se le
aplicaron cargas en el centro, bordes y esquinas, considerando diferentes condiciones
de apoyo y soporte.
DAÑO = ∑
i
C 2 ni
≤1
Ni
EROSION
ni
Ni
C2
= Porcentaje de daño por erosión
= Número de repeticiones de carga de tipo i.
= Número de repeticiones de carga posibles tipo i.
= 0.06 sin berma de hormigón
0.94 amarrada a berma de hormigón.
Chequeo por Fatiga
para prevenir el
agrietamiento debido
a las cargas
σeq
= Esfuerzo
= Resistencia a la flexión (modulo de ruptura)
Sc
La vida útil del pavimento termina cuando se da la ruptura del
concreto por las repeticiones de carga.
Metodo de diseño PCA(1984)
LogN = 14.524 - 6.777 * (C1 * P - 9.0) 0.103
P
=
=
Power (rate of work) at the corner of the slab.
268.7 * p2/ hpcc/KSTATIC0.73
p
C1
KSTATIC
hPCC
=
=
=
=
Presión en la frontera losa-fundación, psi.
1 – (KSTATIC / 2000 * [4/hPCC])2.
Modulo de reacción, psi/in.
Espesor de la losa, in.
Chequeo por
Erosión
para limitar la
deflexión en los
bordes de la losa.
Agrietamiento
•
•
Inicia abajo y se propaga hacia arriba
Se mitiga aumentando el espesor y módulo de elasticidad del hormigón, uso
de base estabilizada y berma de hormigón amarrada
Daño a la Subrasante
•
•
Excesivas Deflexiones en las esquinas
Se mitiga aumentando el espesor del hormigón, uso de barras de
transferencia de carga, base estabilizada y berma de hormigón amarrada.
StreetPave / PCA Método
19
18-08-2015
Fuente Amanda Bordelon
20
18-08-2015
En EE.UU. la ingeniería ha sido con una
separación máxima de juntas
• Para JPCP, la intención era tener paneles lo suficientemente pequeños
para evitar grietas debido al los esfuerzos por efecto ambiental y
contracción del material, por lo que el objetivo u era encontrar la
separación máxima permisible
• A continuación, el pavimento se hizo lo suficientemente grueso como para
resistir las cargas de tráfico
• Este es el enfoque adoptado en AASHTO 93 y ACPA StreetPave
Tomado de Rodden R. Diseño y Especificaciones Técnicas en Pavimentos Hormigón, Santiago 2015
Porcentaje de losas agrietadas
Pavement ME ha abierto nuestros ojos
100
90
19 millones de camiones [30 millones ESALs])
Clima humedo con congelamiento
200 a 275 mm JPCP; 150 mm de base granular
80
70
8-in
(200 mm)
60
9-in
(225 mm)
10-in
(250 mm)
11-in
(275 mm)
50
40
30
20
10
0
3.7
4.0
4.3
4.6
4.9
5.2
5.5
5.8
Distancia entre juntas, (m)
Esa misma zona con la limitación de las losas
agrietadas por ciento al 10%
Respesor requerido, cm
30
27.5
25
22.5
20
17.5
15
3.7
4.0
4.3
4.6
4.9
5.2
5.5
Longitud de la losa, m
• Pavement ME sólo es válido para una separación conjunta de hasta 3 m porque ese
es el límite de lo que se desarrolló en su análisis de elementos finitos y probado en
las instalaciones de campo!
• No podemos dividir en dos ejes con Pavement ME
21
18-08-2015
Características Principales:
Ingreso de información de tráfico
ESALS
Espectro de carga
Calculo de coeficiente de balasto (Kc) a partir
de sistema multicapa
Características de los materiales
Características del concreto
Hormigón reforzado con fibra
Información de Construcción
Gradiente de construcción
Temperatura de construcción
Divide el año en dos períodos por cambio de
propiedades:
Transferencia de carga
Kc del suelo
Tráfico
Diseño de espesores de pavimentos de hormigón
tradicionales vs pavimentos de losas cortas
Subbase
Subbase
Subrasante
Subrasante
Pavimento Tradicional
Pavimento Losa Corta
La tecnología de diseño y construcción de losas, dimensiona éstas
de forma tal que ellas nunca sean cargadas por más de un set de
ruedas del camión, logrando con esto disminuir significativamente
las tensiones en dicha losa (Covarrubias).
Las tensiones dentro de la losa determinan la vida útil del pavimento,
donde tensiones mayores generan un deterioro más rápido en este.
Esto produce un menor agrietamiento de las losas del pavimento y
una mayor tolerancia a la carga por eje del camión.
Posiciones del eje y ruedas en la losa corta
22
18-08-2015
Algoritmo de Fatiga
1.
2.
Corridas del Islab 2000 para tensiones y NCHRP 1-37ª para el
algoritmo de fatiga.
Geometría y calibración del materia, se realizan a este nivel.


σ

Log ( N ) = 2 * 
MOR
*
C
*
C
1
2 

FDk = ∑
i
% −1.22
nijk
N ijk
1
1 1
Capas de Refuerzo con Hormigón
23
18-08-2015
Métodos de Diseño para Rehabilitación de Pavimentos
Soluciones No Adheridas (Baja Fricción)
• Se diseña como pavimento nuevo
• Se utiliza el pavimento antiguo como base y se repara
• Se determina “kc” sobre el pavimento existente con falling
weight
• Whitetopping
•
•
Tamaño de losa similar a pavimento nuevo con diseño tradicional
espesores mayor a 20 cm
• Recapado de Hormigón sobre Hormigón
•
•
•
Tamaño de losa igual a tamaño de losas del pavimento nuevo con desfase de junta
antigua
Se coloca capa intermedia de separación
Espesor mayor a 15 cm
• Diseño TCP®
•
•
Espesores entre 8 y 20 cm
losas optimizadas por posición de cargas
Métodos de Diseño para Rehabilitación de Pavimentos
Soluciones Adheridas (Alta Fricción)
• El pavimento antiguo es parte de la estructura de la carpeta de pavimento, por lo
que la capa nueva se diseña adherida.
• El diseño no considera el tamaño de la losa para determinar el espesor.
• El asfalto debe tener al menos 7,5 cm de espesor y estar en buenas condición.
• Las losas son pequeñas para asegurar adherencia (0,8 a 2,0 m) y el proceso
constructivo debe asegurar esta condición adherida para su correcto
funcionamiento
• Thin Whitetopping
• Espesor entre 10 y 15 cm
• Ultra Thin Whitetopping
• Espesor menor a 10 cm
• Recapado Adherido de Hormigón sobre Hormigón
• Largo losa igual al largo de losa de pavimento base. Las juntas se
hacen coincidir.
24
18-08-2015
Guía para Capas de Refuerzo con Hormigón
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Tipos de capas de refuerzo y usos
Evaluación y selección
Orientación para el diseño
Varios detalles de diseño
Selección de materiales para capas
de refuerzo
Las zonas de trabajo en virtud de
tráfico
Puntos clave para la construcción
de capas de refuerzo
Construcción acelerada
Consideraciones para
Especificaciones
Reparaciones de capas de refuerzo
Cómo diseñar los espesores?
BCOA
25
18-08-2015
Directrices y Recomendaciones
de Diseño:
Juntas
Capas de subrasante y bases
Bermas y sobreanchos
Por qué los pavimentos
tienen juntas?
Otras razones por las cuales se emplean
juntas en los pavimentos de hormigón:
Divide el pavimento dentro de las pistas
de construcción o ensanches.
Acomodar los movimientos de losa.
Proporcionar la transferencia de carga a
través de las barras de traspaso de
carga (dovelas).
Proporcionar depósito para el sello.
Para aprovechar espaciamiento de las
juntas en el diseño!
77
Por qué los pavimentos
tienen juntas?
• La razón tiene origen histórico: controlar el agrietamiento
natural del hormigón
12-24 m
4.5-6 m
(15-20 ft)
(40-80 ft)
Aserrado (Sawcut)
@ 4.5 m (15 ft)
or menos
78
26
18-08-2015
Impacto del Espaciacimaiento entre juntas
en la flexión
1.8 m
1.8 m
1.8 m
4.5 m
Short Slabs Deflect
Standard Slabs Bend
Very little flexural stress
Higher flexural stress
Smaller joint opening
Reduced curl/warp deflections
ACPA se ha comprometido a incluir espaciado de
juntas en el Diseño
• En 2013, votó a favor de cambiar el enfoque de considerar el
espaciamiento de las juntas como una salida del diseño basado en el
espesor , para ser ahora una entrada para el diseño.
• Actualmente busca incorporar a StreetPave resultados que se
aproximen a OptiPave cuando el espaciamiento sea menor a 3 m
Tomado de Rodden R. Diseño y Especificaciones Técnicas en Pavimentos Hormigón, Santiago 2015
27
18-08-2015
Que pasa cuando el espaciamiento entre
juntas es menor a 3 m?
•
•
•
•
¡TODO CAMBIA!
Una carga por losa disminuye tensiones debidas a las cargas
Mejora de la transferencia de carga agregada debido a losas cortas
Herramientas de AASHTO y de ACPA no pueden modelar esta
configuración
• Actualmente OptiPave es la solución única para losas cortas
Tomado de Rodden R. Diseño y Especificaciones Técnicas en Pavimentos Hormigón, Santiago 2015
Propiedades del Hormigón con Fibra
Zonas Climáticas
28
18-08-2015
Comparaciones
“Defaults” con barras de trasferencia de carga
14
350
325
remember AASHTO 93 limit?
Required Thickness (in.)
12
300
11
275
10
250
9
225
8
200
AASHTO 93 (ACPA WinPAS)
7
175
AASHTOWare Pavement ME @ ORD
6
AASHTOWare Pavement ME @ PHX
5
ACPA StreetPave
4
150
Required Thickness (mm)
13
125
100
-
10,000,000
20,000,000 30,000,000
Design Lane ESALs
40,000,000
50,000,000
Tomado de Rodden R. Diseño y Especificaciones Técnicas en Pavimentos Hormigón, Santiago 2015
29
18-08-2015
14
350
13
325
12
300
11
275
10
250
9
225
8
200
AASHTO 93 (ACPA WinPAS)
7
175
AASHTOWare Pavement ME @ ORD
6
AASHTOWare Pavement ME @ PHX
5
125
ACPA StreetPave
4
-
10,000,000
20,000,000
30,000,000
40,000,000
150
Required Thickness (mm)
Required Thickness (in.)
“Defaults” sin barras de transferencia de carga
100
50,000,000
Design Lane ESALs
Tomado de Rodden R. Diseño y Especificaciones Técnicas en Pavimentos Hormigón, Santiago 2015
Modelo de suelo
Cómo conseguir un buen apoyo?
El sistema de apoyo debe:
• Estar libre de cambios bruscos en las características de los
materiales. Por lo tanto, debe ser uniforme en la construcción
y permanecer lo más uniforme posible durante el servicio.
• Resistir erosión
• Estar diseñados para controlar la expansión del suelo/
levantamientos por heladas
Tomado de Rodden R. Drainage and Support Considerations for Concrete Pavements, Buenos Aires
30
18-08-2015
La capacidad de soporte
del suelo no es un tema
crítico
• El hormigón es muy rígido.
• Las cargas se distribuyen en
áreas relativamente grandes.
• Los Esfuerzos sobre el sistema de
apoyo son relativamente bajos.
• Por lo tanto, los pavimentos de
hormigón
no
requieren
necesariamente
sistemas
de
apoyo
excepcionalmente
«robustos».
Tomado de Rodden R. Drainage and Support Considerations for Concrete Pavements, Buenos Aires
Hacer más rígidas las capas de soporte No
entregan un gran beneficio
• La rigidez de la capa de apoyo tiene
relativamente poco impacto en el espesor
• No trate de hacer que el sistema de apoyo sea
más fuerte/más grueso para tratar de disminuir
el espesor del pavimento de concreto
31
18-08-2015
Hay una rigidez óptima
• ... Pero el k óptimo
depende de la cantidad
de alabeo que las losas
tengan, de las
condiciones ambientales
y otros factores
• Los diseñadores deben
tener en cuenta los
materiales disponibles
(incluyendo reciclado),
capas de soporte
estabilizadas versus no
estabilizadas, el drenaje
y otros detalles.
Consideraciones relacionadas con las
mezclas de concreto para
pavimentos.
32
18-08-2015
El Hormigón y los Pavimentos
• Al optar por el hormigón como el material
constitutivo de un pavimento se deben
considerar fenómenos y efectos que
condicionan
y
determinan
el
comportamiento
y durabilidad
del
pavimento.
• Hay que entender que el uso y aplicación
del hormigón en pavimentos no
necesariamente se rige por conceptos y
paradigmas similares al empleo del
material en otras aplicaciones debido
principalmente a la forma como se
construye y como se comporta durante la
vida útil del pavimento.
El problema de tener resistencias y cuantías de
cemento más altas de las realmente necesarias
Más
resistencia de
la necesaria
Excesiva
cantidad de
cemento
Excesiva
rigidez del
hormigón
Mayor alabeo y
problemas de
retracción
No garantiza un comportamiento
optimo y si un mayor costo
Shilstone Coarseness Chart
W
CF
Trazado de la gradación combinada en el gráfico indicará si la mezcla será gravosa o
arenosa y proporcionar información valiosa acerca de la colocación y problemas de
acabado. El punto rojo se muestra en la figura es la misma que la gradación se
muestra en la diapositiva anterior y es apenas dentro de la zona II, esta no es una
situación deseable.
33
18-08-2015
El factor CF (“Coarseness Factor”)o factor de
grosor que define la relación entre las partículas
gruesas y las intermedias.
Q= 100 - % que pasa malla 10mm (3/8”)
I = % que pasa 10mm (3/8”) - % pasa malla 2,5 mm (Nº8)
“Q” representa las partículas gruesas e “I” representa
al árido intermedio.
Un CF de 100%
representa que no existen
áridos en la muestra entre
los tamices N°8 y 3/8”
WAdj
un CF de 0% puede
indicar que no existe
material que sea retenido
en el tamiz 3/8”.
100
0
CF
Material Más Grueso
Si el % pasa No 8
Disminuye el Factor de
Trabajabilidad
WAdj
100
0
El factor W (“Workability Factor”) o factor de trabajabilidad que
corresponde al porcentaje de material que pasa por el tamiz 2,5 mm (N°8).
Deberá realizarse una corrección basada en el contenido de cemento de la
siguiente manera:
Adj= 0,0448*Cc-15
Por lo que:
Especificación de Dosis para hormigones para
pavimentos en Chile
34
18-08-2015
Factor de Mortero
103
apps.acpa.org
35
18-08-2015
Descripción Áridos:
Según Manual de Carreteras Volumen 8
Tipo de Arido Grueso
Banda 20 – 5
Tipo de Arido Fino
Medio o Normal
Trabajabilidad
Tamices
Proporcion %
2”
1 ½”
1”
¾”
½”
⅜”
#4
#8
#16
#30
#50
#100
#200
Grueso 20-5/Fino Medio o Normal
Bien Graduado
% Pasa Grueso
60,00%
% Pasa Fino
40,00%
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
95,0
100,0
66,3
100,0
37,5
100,0
5,0
97,5
2,5
90,0
0,0
67,5
0,0
42,5
0,0
20,0
0,0
0,0
Contenido Cemento (kg/m³)
Coarseness Factor
Workability Factor
6,0
3,0
335
60,0
37,5
Tomado: Taylor Peter Mixture Design for Durability
Incorporación de Fibras en los hormigones
Concepto de resistencia Residual
Norma ASTM 1609 -07
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18-08-2015
Ensayo de Flexotracción
La resistencia residual
• corresponde a la resistencia que es capaz de tomar la viga
una vez fisurado, condición que le otorgan las fibras. Es decir,
aumenta la capacidad del hormigón de seguir tomando cargas
una vez agrietado.
Muchas Gracias!!
Mauricio Salgado Torres IC M.Sc.
[email protected]
pavimentando.cl
37