Taller de Criterios de Diseño de Pavimentos de Concreto Criterios generales de diseño de pavimentos de concreto. Ing. Mauricio Salgado Torres M.Sc.

Transcripción

1 Taller de Criterios de Diseño de Pavimentos de Concreto Criterios generales de diseño de pavimentos de concreto Ing. Mauricio Salgado Torres M.Sc.

2 Tipos de pavimentos de hormigón PAVIMENTO DE HORMIGON SIMPLE CON JUNTAS Jointed Plain Concrete Pavements (JPCP) PAVIMENTO DE HORMIGON REFORZADO CON JUNTAS Jointed Reinforced Concrete Pavements (JRCP) PAVIMENTO DE HORMIGON CON REFUERZO CONTINUO Continuously Reinforced Concrete Pavements (CRCP)

3 Tipos de pavimentos de hormigón Pavimentos de hormigón con losas de hormigón con juntas (JPCP) Pavimentos de hormigón con losas continuamente reforzadas (CRCP)

4 Diseño Actual y Necesidades Amplio Rango de Estructuras Diseño de Rehabilitaciones 50+ millones de ejes equivalentes de carga Diseño Secciones limitadas Prueba AASHO 1 millón de ejes equivalentes de carga Tráfico 1 Clima / 2 años Guía M-EPDEG 1 Set de materiales Clima Materiales Climas Diferentes 20 a 50 años Nuevos y Diversos Materiales

5 Criterios de Diseño Diagnostico y evaluación del problema. Importancia de la vía Composición del tráfico Capacidad de Soporte de la subrasante Disponibilidad de materiales en la zona Cambios climáticos Análisis estructural Espesores de las capas Propiedades de los materiales Resistencias del concreto Confiabilidad Estrategias de mantenimiento Viabilidad Técnica y Económica Análisis del Costo Beneficio durante toda la vida útil del pavimento Costos iniciales de construcción Costo de mantenimiento

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7 Esquema del Modelo de Agrietamiento Alabeo Carga Tránsito Ley de Fatiga Volumen Tránsito n Agriet. Observ. Modelo Estructura del Pavimento Tensión s t /MR Repeticiones Admisibles N Ley de Miner S n/n Consumo Acumulado Fatiga Condiciones de Borde

8 Por qué los pavimentos tienen juntas? La razón tiene origen histórico: controlar el agrietamiento natural del hormigón m (40-80 ft) m (15-20 ft) Aserrado 4.5 m (15 ft) or menos 8

9 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!

10 Alabeo debido al Efecto de la Temperatura 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 Consideraciones de Diseño La principal preocupación en el diseño estructural de los pavimento de concreto es identificar si el agrietamiento, que se pueda ocasionar, es debido a una o más de las siguientes causas: La tensión inducida por la carga La tensión inducida térmicamente La tensión generada por el movimiento del suelo de subrasante o debida a los cambios de humedad. Pavimento de concreto simple con juntas (JPCP) Las tensiones debidas a las cargas de tráfico determinan la resistencia a la fatiga del pavimento, mientras que el efecto debido al alabeo determina el espaciamiento máximo entre las juntas del pavimento.

12 Diferencias típicas entre los procedimientos de diseño empíricos y el MEPDG, en términos de la caracterización de los PCC PCC: Portland Cement Concrete

13 Caracterización del PCC: Módulo de Ruptura Vinculo limitado entre las propiedades de la capa PCC y los criterios de diseño / propiedades de la mezcla Caracterización del PCC: 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: Contenido de Aire, Agua, Asentamiento (Cono), Relación A/C, Gradación. Tipo de Cemento Módulo de Ruptura Propiedades Volumétricas y Mecánicas: 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)

14 Ensayos para determinación de parámetros del hormigón R. a la compresión cilíndrica (f c)* Módulo de Elasticidad (E)* R. a la flexotracción (MR)*

15 Coeficiente de expansión térmica Tasa de cambio de longitud debido al incremento o descenso en un grado de temperatura en el hormigón.

16 Conceptos para el Diseño Mecanicista D E, n, a t 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. Subbase Subrasante k Donde: s = El esfuerzo en el borde de la losa debido al alabeo por temperatura a t = coeficiente de expansión térmica del hormigón. Dt = diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior de la losa. C = factor de corrección para una losa finita, determinada usando L /i,

17 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.

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19 Alabeo de contracción y cambios volumétricos debidos a la humedad 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.

20 Parámetros relacionados con el hormigón Retracción de fraguado La retracción es un fenómeno intrínseco del hormigón que está relacionado con la pérdida paulatina del agua en la mezcla. Retracción última Se emplea para predecir el esfuerzo de retracción en el agrietamiento de arriba hacia abajo (Alabeo húmedo) y en la apertura de juntas y grietas. La retracción no es una fuerza impuesta sino que es una deformación impuesta al hormigón que provocará tensiones de tracción.

21 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

22 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: DL = 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 a = coeficiente de expansión térmica D = rango de temperatura = coeficiente de retracción del hormigón (0,5 a 2,5x10-4)

23 Comparación en planta de la losa tradicional respecto de la losa corta Criterios de diseño de Juntas: Menos de 25 veces el espesor de la losa ej: 450cm/20 cm = 22,5 OK Factor de esbeltez inferior a 1.4 ej: Largo 4.5m, Ancho 3.5 m 4.5/3.5=1.28 OK Subbase Subbase A menor tamaño de losa las tensiones se reducen y disminuye el alabeo relativo Subrasante Pavimento Tradicional Pavimento Losa Corta Subrasante Las Losa cuadradas podrían funcionar mejor Estructuras Equivalentes

24 Impacto del Espaciacimaiento entre juntas en la flexión 1.8 m 1.8 m 1.8 m 4.5 m Short Slabs Deflect Very little flexural stress Standard Slabs Bend Higher flexural stress

25 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

26 Espectros de Carga

27 Agrietamiento de Fatiga Hacia Arriba Agrietamiento de Fatiga Hacia Abajo 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

28 Escalonamiento (sin barras de traspaso) Escalonamiento (con 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 Las respuestas y las ubicaciones críticas son las mismas que para losas sin barras de traspaso de carga

29 Posiciones del eje y ruedas en la losa corta

30 Criterios de Aceptación Resistencia a la Flexotracción Espesor Perfil IRI

31 Inclusión de Fibras en pavimentos de hormigón 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.

32 Muchas Gracias!!! Mauricio Salgado Torres Instituto del Cemento y del Hormigón de Chile ICH msalgado@ich.cl