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 18-08-2015 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 Tomado de Rodden R. Diseño y Especificaciones Técnicas en Pavimentos Hormigón, Santiago 2015 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 18-08-2015 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 Tomado de Rodden R. Diseño y Especificaciones Técnicas en Pavimentos Hormigón, Santiago 2015 7 18-08-2015 AASHTO 93 / WinPAS Tomado de Rodden R. Diseño y Especificaciones Técnicas en Pavimentos Hormigón, Santiago 2015 Diseño Mecanicista-Empírico (MEPDG) Clima Tráfico Materiales Estructura Daño Tiempo Respuestas Acumulación de daño Deterioros MEPDG / DARWin-ME / AASHTOWare Pavement ME 8 18-08-2015 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) Tomado de Rodden R. Diseño y Especificaciones Técnicas en Pavimentos Hormigón, Santiago 2015 9 18-08-2015 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 18-08-2015 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 18-08-2015 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 18-08-2015 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 18-08-2015 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 18-08-2015 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 36 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
