DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS Ing. Diego H. Calo

Transcripción

1 JORNADA DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICA DISEÑO Y CONSTRUCCION DE PAVIMENTOS DE HORMIGON DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS Ing. Diego H. Calo 6-7 de Abril de 2010 Dirección Nacional de Vialidad Casa Central Ciudad Autónoma de Buenos Aires

2 Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple Fisuración Transversal o Longitudinal 2 Descripción: Fisuras con orientación perpendicular o longitudinal 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. Asentamientos diferenciales (longitudinales).

3 Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple Erosión por Bombeo y Escalonamiento 3 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 suelos finos). 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.

4 Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple Erosión por Bombeo y Escalonamiento 4 1 ER ETAPA Junta Longitud. Juntas Transversales Tránsito Escalonamiento Inicial Banq. Externa 2 DA ETAPA Incremento del escalonamiento Banq. Externa 3 ER ETAPA Eyección de Finos Fisuración Transversal Banq. Externa Eyección de Finos

5 5 Cuándo es necesario una subbase? Existe riesgo de erosión por bombeo cuando se presentan en forma simultánea las siguientes condiciones: Repeticiones reiteradas de cargas pesadas (camiones) capaces de generar deflexiones importantes en juntas y bordes de la calzada de hormigón. Disponibilidad de agua en la interfase losa subbase banquina. Una subrasante compuesta por suelos finos o capaces de entrar en suspensión. Agua Disponible Tránsito Pesado E Material Fino ó Erosionable Cuando en un pavimento determinado se prevea la eventual coexistencia de estos factores el EMPLEO DE UNA SUBBASE NO EROSIONABLE ES DE CARÁCTER OBLIGATORIO.

6 6 Resistencia a la Erosión Clase A B C D E Potencial de Erosión Extremadamente Resistente a la erosión Resistente a la erosión Resistente a la erosión bajo ciertas condiciones Bastante erosionables Muy erosionables Tipo de Material Hormigón pobre con 7% - 8% de cemento ó concreto asfáltico con 6% de asfalto. Material granular tratado con 5% de cemento. Material granular elaborado en planta con 3,5% de cemento o 3% de asfalto. 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. Materiales granulares contaminados no tratados; Suelos finos no estabilizados.

7 7 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.

8 8 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: a psi (de 4100 a 6900 MPa). Romper la adherencia con emulsión asfáltica, film de polietileno o dos capas de membrana en base a parafina.

9 9 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. Subbase de Hormigón Poroso

10 10 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. En verano mantener la cancha humedecida o blanquearla (Riego de agua con cal.)

11 11 Sistemas de Subdrenaje Como combatir los problemas asociados a humedad en la estructura del pavimento? Evitar el ingreso del agua en la estructura del pavimento: Elevación adecuada de la rasante respecto del terreno, adopción de pendientes transversales y longitudinales apropiadas que permitan un drenaje superficial eficiente y sellado de las juntas y fisuras con el objetivo de reducir la infiltración de agua a las capas inferiores. Emplear materiales no sensibles a la humedad (elevada resistencia a la erosión). Incorporar elementos de diseño que minimicen los daños por humedad: Incorporación de pasadores en las juntas transversales, empleo de sobreanchos de calzada, incorporación de banquina de hormigón vinculada, incorporación de una capa granular entre la base tratada y la subrasante, etc. Eliminar el agua libre mediante una estructura de subdrenaje: el propósito de la incorporación de un sistema de este tipo es eliminar rápidamente el agua infiltrada a la estructura del pavimento.

12 12 Sistemas de Subdrenaje Tipos de Sistemas empleados (Fuente: MEPDG) Tipo Ia: Base permeable con Dren Longitudinal

13 13 Sistemas de Subdrenaje Tipos de Sistemas empleados (Fuente: MEPDG) Tipo Ib: Base permeable hasta el talud.

14 14 Sistemas de Subdrenaje Tipos de Sistemas empleados (Fuente: MEPDG) Tipo IIa: Base no erosionable con dren longitudinal Tipo IIb: Base no erosionable con dren longitudinal y relleno de HºPº

15 15 Sistemas de Subdrenaje Cuando se necesita un sistema de Subdrenaje? Los sistemas de drenaje son elementos de diseño que incrementan sensiblemente el costo de construcción. A fin de que se encuentren plenamente justificados, debe probarse que generan una mejora en el desempeño del pavimento. En USA se han efectuado una serie de proyectos de investigación para brindar una respuesta a estas inquietudes (NCHRP 1-34 a 1-34D). Conclusiones a las que arribó este estudio: - La rigidez de la base resultó ser más influyente que el drenaje en el comportamiento de los pavimentos de hormigón. - Se ha observado que existe una rigidez óptima (ni muy rígida, ni muy flexible). - La presencia de agua en la estructura del pavimento ha resultado muy perjudicial en el desempeño del pavimento en el pasado. - Los diseños actuales son menos susceptibles a los daños por exceso de humedad (mayores espesores, mejor calidad de materiales, uso extensivo de pasadores, etc.

16 16 Sistemas de Subdrenaje Cuando se necesita un sistema de Subdrenaje? El estado del arte actual es tal que no es posible establecer definiciones concluyentes acerca de la efectividad de los sistemas de subdrenaje o la necesidad de drenaje subsuperficial (fuente: MEPDG Part 3. Design Analysis). De cualquier manera, bajo determinadas condiciones, el empleo de un sistema de subdrenaje puede encontrarse justificado, en especial en tránsito pesado, climas húmedos y suelos de subrasante de baja permeabilidad. Condición climática Húmeda con congelamiento Húmeda sin congelamiento Seca con congelamiento Seca sin congelamiento Más de 12 millones de camiones en el carril de diseño en 20 años k<3 R R F F 3<k<30 R R F NR k>30 F F NR NR Entre 2,5 y 12 millones de camiones en el carril de diseño en 20 años k<3 R R F NR 3<k<30 R F F NR k>30 F F NR NR Menos de 2,5 millones de camiones en el carril de diseño en 20 años k<3 F F NR NR 3<k<30 K: Permeabilidad de la subrasante en m/día; R: Recomendable; F: Factible; NR: No recomendado NR NR NR NR k>30 NR NR NR NR

17 17 TRANSFERENCIA DE CARGA Es la capacidad de una losa de transferir su carga a una losa vecina D1 = x D2 = 0 D1 = X / 2 D2 = X / 2 Mala Transferencia de Carga Buena Transferencia de Carga Trabazón entre agregados Pasadores Banquina de hormigón Banquina Vinculada Cordón Cuneta Sobreancho de Carril Tienen un efecto similar

18 18 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).

19 SOBREANCHO DE CALZADA 19

20 Sobreancho de Calzada Tensiones - Carga en Borde Deformaciones - Carga en Esquina 0.60 Datos: Espesor: 25 cm. Largo: 4,50 m. Ancho: 4,25 m. Tensiones Máximas (Fondo de Losa), MPa Deformación Máxima, mm T: 0ºC. k: 150 MPa/m Eje Simple: 100 KN Distancia al Borde, m 0.00

21 Influencia de la transferencia de Carga 21 Carga Interna - Dzmax: 0,134 mm (100%) En Esquina sin sob y sin pas - Dzmax: 0,506 mm (377%) Datos: Espesor: 25 cm. Largo: 4,50 m. Ancho: 4,25 m. T: 0ºC. k: 150 MPa/m. Eje Simple: 100 KN En Esquina sin sob y con pas - Dzmax: 0,350 mm (260%)

22 Influencia de la transferencia de Carga 22 Carga Interna - Dzmax: 0,134 mm (100%) En Esquina con sob y sin pas - Dzmax: 0,295 mm (220%) Datos: Espesor: 25 cm. Largo: 4,50 m. Ancho: 4,25 m. T: 0ºC. k: 150 MPa/m. Eje Simple: 100 KN En Esquina con sob y con pas - Dzmax: 0,216 mm (160%)

23 23 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 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).

24 24 Ubicación Crítica de Cargas Junta transversal Junta transversal Eje Tándem Carril Eje Tándem Carril Banquina de Hormigón (si existe) Banquina de Hormigón (si existe) Posición crítica de la carga para las Deformaciones Posición crítica de la carga para las Tensiones de Flexión

25 25 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

26 26 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.

27 METODO AASHTO 1993 AASHO Road Test ( ) 27 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.

28 28 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 ( E c ) Módulo de reacción de la subrasante (k, LOS) Coeficiente de drenaje (C d ) Confiabilidad (R, Z R ). Desvío Global (s o ). Siempre incorporar el valor medio o más probable

29 LIMITACIONES DEL MÉTODO AASHTO ACTUAL 29 Una zona climática / 2 años Un tipo de subrasante Limitadas repeticiones de carga Limitadas secciones de estudio

30 MEPDG 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. 30

31 Datos Datos Suelos Suelos Materiales Tránsito Clima Clima 31 Diseño Diseño a Evaluar Evaluar Confiabilidad Respuestas Estructurales (σ, (σ, ε, ε, δ) δ) Modelos de de Predicción de de comportamiento Fallas Fallas Rugosidad Cumple Cumple Requisito de de Diseño? REVISAR DISEÑO NO Verificación del del Comportamiento Criterio Criterio de de falla falla SI Diseño Diseño Final Final

32 EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº VERIFICACIÓN 32 El diseño propuesto será verificado con el criterio de verificación para cada tipo de falla. Fisuración (Máximo permitido) De 10% a 45% Escalonamiento (Máximo permitido) De 2,5mm a 5,0mm Rugosidad (Máximo permitido) De 2,5 m/km a 4,0m/km

33 33 ANALISIS DE DETERIOROS Como Reducir el Potencial de Fisuración a Fatiga? Incrementar el Espesor de la Losa. Reducir la Separación entre Juntas. Efectuar un Sobreancho de Calzada. Emplear Banquina Rígida Vinculada. Incrementar la Resistencia del Hormigón. Usar una Base Tratada (incremento de k) Como Reducir el Potencial de Erosión y Escalonamiento? Emplear Pasadores en Juntas Transversales. Proveer una Base Menos Erosionable. Efectuar un Sobreancho de Calzada. Emplear Banquina Rígida Vinculada. Proveer Drenaje Subsuperficial.

34 34 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.

35 35 MODELO DE FATIGA (PCA)

36 36 MODELO DE FATIGA (ACPA) Numero de aplicaciones admisibles, Log N log( Nf ) = SR log ( S ) PCA S = 95% S = 90% S = 80% S = 70% S = 60% S = 50% Relación de Tensiones

37 37 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.

38 PORCENTAJE DE LOSAS FISURADAS 38 Efecto combinado del Porcentaje de losas fisuradas con la confiabilidad. Clasificación Confiabilidad Losas Fisuradas Losas fisuradas (valor probable) Residencial Liviano 75 % 15 % 7,5 % Residencial 80 % 15 % 6 % Colectoras 85 % 10 % 3 % Arteria Menor 90 % 10 % 2 % Arteria Principal 95 % 5% 0,5 % Valor Probable = (100% Confiabilidad) Losas Fisuradas / 50% S = ( 1 R) P LF

39 39 VERSIÓN ON-LINE Características Análisis de un Pavimento de Hormigón Existente 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 Diseño de Pavimento de Hormigón Nuevo: Recomendaciones para el diseño de espesores Recomendaciones para la selección de pasadores Recomendaciones para una selección adecuada de juntas: 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 Versión on-line Versión Windows

40 40 GRACIAS ING. DIEGO H. CALO DIVISIÓN PROYECTOS Y DESARROLLO dcalo@icpa.com.ar