Tendencias en el diseño de pavimentos de hormigón.

Transcripción

1 Tendencias en el diseño de pavimentos de hormigón. Alabeo Cóncavo Alabeo Convexo Se entiende por gradiente la variación de parámetros de humedad y temperatura en el espesor de la losa 1

2 Causas del Deterioro Tensiones Combinadas (Carga y Alabeo) > Alabeo Cóncavo > Alabeo Convexo Causas del Deterioro Tensión por carga (Tránsito) Tensión por Alabeo (Temperatura) CARGA DE BORDE Gradientes Térmicos Medidos en Verano. 21 Zonas Testigo CARGA DE ESQUINA Gradiente Térmico [ºC/cm] 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00-0,10-0,20-0,30-0,40-0,50-0,60-0,70-0,80-0,90-1,00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Tiempo [hh:mm] Medición Día Despejado Día Nublado Parcial Día Nublado 2

3 Los Desarrollos en Pavimentos (desde 2003 al 2010) Rehabilitación Alameda del Libertador Bernardo O Higgins (2004) Se realiza aplicación masiva de recapado adherido con losas cortas de bajo espesor - Uso de losas cortas en aplicación de recapado adherido. - Espesores de 14 con losas de 60 x 60 cm. - Sin sello en juntas El desarrollo de estos proyectos permitió empezar a conocer el comportamiento de pavimentos más delgados y con losas cortas y pensar en extrapolarlos a otras condiciones 3

4 Experiencia de Losas Cortas Alameda Libertador Bernardo O Higgins (2004) Se materializó en enero de 2004 en la Av. Libertador Bernardo O Higgins (Santiago). Se construyó un pavimento de hormigón de losas cuadradas de 120 centímetros con espesores entre13y20cm. La longitud total del tramo es de 650 metros y seubicaenlacalzadanortedelaavenida. Buen comportamiento considerando que con 6 años de vida de servicio(aproximadamente 13 millones de Ejes Equivalentes). Los deterioros que se han contabilizado, no superan el 10% de losas agrietadas y en el caso más extremo alcanza el 15%. El deterioro con un mayor porcentaje de losas agrietadas es el longitudinal, sin embargo también se observa agrietamiento de esquina y transversal en menor grado. Alameda Libertador Bernardo O Higgins (HOY) 4

5 Alameda Libertador Bernardo O Higgins (HOY) Construcción Nueva Vitacura (2004) Municipalidad de Vitacura construye un pavimento de mas largo plazo con el concepto de bajo espesor - Recomendación ICH de usar losas de 14 cm. con losas de 1,75 x1,75 mt. sobre base granular - Sin sello en juntas - Diseño original de 23 cm para EE 5

6 Nueva Vitacura (HOY) Experiencias Tramos de prueba ICH Alameda calzada Norte 6

7 Experiencias Zonas Testigos del Estudio de Seguimiento de Pavimentos de Hormigón (Convenio IDIEM MOP) Lo Vásquez (1985) (20 años) Cabrero (1984) (21 años) Lampa (1984) (21 años) Experiencias Zonas Testigos (Convenio IDIEM MOP) Lo Vásquez Cabrero Lampa 7

8 Tramos: Características Características Generales TRAMO EDAD años EE Acumulados ESPESOR LOSA [cm] LONGITUD LOSA [cm] Tipo de Base K [Mpa/m] CHINQUIHUE y Granular 102 CHINQUIHUE , 10 y Granular 102 PADRE LAS CASAS , 10 y Granular 39 PADRE LAS CASAS Granular 39 ALAMEDA y Granular 72 LAMPA BAL 51 LO VASQUEZ BAL 46 CABRERO BAL 98 Tramo de Prueba: Chinquihue 8

9 Tramo de Prueba: Chinquihue Chinquihue Puerto Montt 9

10 Tramo de Prueba: Chinquihue Tramo de Prueba: Chinquihue 10

11 Chinquihue: Estratigrafía de pesos por ejes Frecuencia de vehículos por día en una semana DIA F E C H A BUI C2E C+2E TOTAL VEH POR DIA Lunes 13-feb Martes 14-feb Miércoles 08-feb Jueves 09-feb Viernes 10-feb Sábado 11-feb Domingo 12-feb Total de vehículos Chinquihue: Estratigrafía de pesos por ejes Distribución de carga por eje 1000 vehículos (de cada), Eje simple Rueda simple Eje simple Rueda doble Eje tandem Rueda dual peso Peso Peso B C2 C+2 B C2 C+2 [Ton] [Ton] [Ton] B T2 T2+ < < < > > >

12 Chinquihue: Características del Tramo Elevación 10m Pluviometría 2000 mm/ año Temperaturas extremas promedio Alta Enero 20 C Baja Julio 4 C CBR 41% Sub-base 0.20m CBR 88% Losas 1.75 x 1.75m; 3,50x3,350m Espesores 0,08;0.10; 0,12 a 0.15 m PCC Resistencia a flexotracción 4.8 MPa Chinquihue: Monografía 18 de marzo 2006 (12cm) 175x175 cm 18 de marzo 2006 (10cm) 175x175 cm 12

13 Chinquihue: Monografía 10 de febrero de 2007 (12cm) 175x175 cm 10 de febrero de 2007 (10cm) 175x175 cm Mayo EE Chinquihue: Monografía 18 de marzo 2006 (8cm) 175x175 cm 18 de marzo 2006 (12cm) 350x350 cm 13

14 Chinquihue: Monografía 10 de febrero 2007 (8cm) 175x175 cm 10 de febrero 2007 (12cm) 350x350 cm Chinquihue: Monografía 18 de marzo 2006 (15cm) 350x350 cm 14

15 Chinquihue: Monografía 10 de febrero 2007 (15cm) 350x350 cm Tramode Prueba: Padre las Casas 15

16 Padre Las Casas Temuco Tramode Prueba: Padre las Casas 16

17 Febrero 2006 Padre Las Casas: Estratigrafía de pesos por ejes Distribución por clase de vehículos día Fecha B C2 C+2 Total Diario Lunes 20/3/ Martes 21/3/ Miercoles 22/3/ Jueves 23/3/ Viernes 24/3/ Sabado 25/3/ Domingo 26/3/ Total

18 Padre Las Casas: Estratigrafía de pesos por ejes Distribución de cargas por Eje por 1000 vehículos Eje Simple Rueda Simple Eje Simple Rueda Doble Eje Tandem Rueda Doble Peso Peso Peso B C2 C+2 B C2 C+2 [Ton] [Ton] [Ton] B C2 C+2 < < < > > > Padre Las Casas : Características del Tramo Elevación 110m Pluviometría 1100 mm/año Temperaturas extremas promedio Alta Enero 25 C Baja Julio 4 C CBR 70% Sub-base 0,15m CBR 90% Losas 1.17 x 1.17; 1,75x1,75; 3,50x3,50 m Espesores 0.08 a 0.15 m PCC Resistencia a flexotracción 4.8 MPa 18

19 Padre Las Casas: Monografía 29 de Julio 2006 (12cm) 175x175 cm 29 de Julio 2006 (8cm) 175x175 cm Padre Las Casas: Monografía 18 de agosto 2007 (12cm) 175x175 cm 18 de agosto 2007 (8cm) 175x175 cm 19

20 Padre Las Casas: Monografía 29 de Julio 2006 (8cm) 117x117 cm 87,5x87,5 cm 29 de Julio 2006 (10cm) 175x175 cm Diciembre EE Padre Las Casas: Monografía 18 de agosto 2007 (8cm) 117x117 cm 87,5x87,5 cm 18 de agosto 2007 (10cm) 175x175 cm 20

21 Padre Las Casas: Monografía 29 de Julio 2006 (15cm) 350x350cm Padre Las Casas: Monografía 18 de agosto 2007 (15cm) 350x350cm 21

22 Alameda Alameda: Pistas 22

23 Alameda: Tramos Alameda: Estratigrafía de pesos por ejes Estratigrafía de pesos por eje por mil buses Carga Ton Buses Amarillos Buses 7 Buses 9 ESRS ESRD ESRS ESRD ESRS ESRD Parámetro B Am. C 2 C +2 B7 B9 TMDA Tasa de crec. ( ) 7.5% 6.5% 5.5% TMDA TMDA

24 Alameda: Características del Tramo Longitud 650m Pluviometría 360 mm Temperaturas extremas promedio Alta Enero 30 C Baja Julio 2 C CBR 15% Sub-base 0.20m CBR 80% Losas 1.20 x 1.20m Espesores 0.12 a 0.15 m PCC Resistencia a flexotracción 4.9 MPa Alameda: Monografía Espesor : 14.7 [cm] Longitud : 120 [cm] Espesor : 16.5 [cm] Longitud : 120 [cm] Noviembre

25 Alameda: Monografía Espesor : 14.7 [cm] Longitud : 120 [cm] Espesor : 16.5 [cm] Longitud : 120 [cm] Agosto EE Avances en la metodología de Diseño de Pavimentos Semi- Rígidos de Losas Cortas. Análisis y Predicción de Comportamiento de Losas Cortas de Hormigón, Basado en las Experiencias del ICH con Pavimentos de Losa Corta y del Estado del Arte en Pavimentos Tradicionales 25

26 Modelo de Deterioro Calculo de tensiones borde transversal y longitudinal Análisis de tensiones en la fibra inferior de la losa, producidas por cualquier tipo de carga (ecuación de Westergaard para la condición de carga de borde). Las condiciones que introducen factores de corrección sobre la Ecuación de Westergaard son: Distintos espaciamientos entre ruedas de un eje simple Distintos espaciamientos entre ejes de una configuración Tándem Distintos espaciamientos entre ejes de una configuración Tridem Distintas dimensiones de losa Distintos niveles de transferencias de cargas en la junta transversal Interacción entre la transferencia de carga en la junta longitudinal y longitud de losa. Desviación transversal del tránsito 26

27 tensiones borde longitudinal tensiones borde transversal tensiones en esquina Solicitaciones Alabeo Carga Tránsito Estructura del Pavimento Ley de Fatiga Tensión σ t /MR Volumen Tránsito n Repeticiones Admisibles N Ley de Miner Σ n/n Agriet. Observ. Consumo Acumulado Fatiga Modelo Condiciones de Borde Esquema del Modelo de Agrietamiento 27

28 Posición de Carga Crítica D: distancia promedio a la que pasa un vehículo al borde de la losa, 67 [cm]. w: ancho promedio de la impronta de la rueda 55 TENSIONES POR TEMPERTATURA σ combinada = σ Wrd + Rσ alabeo σ alabeo = CEα T/2 L l 28

29 EFECTO ALABEO Se consideran los Δt positivos entre la fibra superior e inferior de la losa, que producen Tracción en la fibra inferior de la Losa Condición de día alabeo convexo VOLVER EFECTO ALABEO Se consideran los Δt negativos entre la fibra superior e inferior de la losa, que producen Tracción en la fibra Superior de la Losa. Condición de noche alabeo cóncavo VOLVER 29

30 EFECTO ALABEO APROXIMACIÓN REALIZADA σ Combinada = σ w + R σ t σ Combinada : Esfuerzo considerando carga y alabeo, en Mpa σ w : Esfuerzo según Ec. de Westergaard multiplicado por los factores de corrección, en Mpa R : Factor de corrección por efecto de diferencial de temperatura σ t : Esfuerzo por alabeo según Ecuación de Westergaard, en MPa VOLVER METODOLOGIA-TENSIÓN DE ESQUINA σ west P a = h l

31 Agrietamiento Longitudinal CÁLCULO DE REPETICIONES ADMISIBLES 61 Fatiga Acumulada Agrietamiento Longitudinal Agrietamiento de esquina Agrietamiento Transversal 31

32 Número de Repeticiones de Carga Una pasada de eje simple es una aplicación de carga 63 Número de Repeticiones de Carga Una pasada de eje tándem es equivalente a una aplicaciones de eje tándem más una de eje simple 64 32

33 Número de Repeticiones de Carga Una pasada de eje tridem es equivalente a la aplicación de dos ejes tándem más un eje simple 65 Fatiga Acumulada FA AL : Fatiga Acumulada en Agrietamiento Longitudinal. N EJE,i,k,l : N de repeticiones aplicadas del tipo EJE en la condición i, k, l n EJE,i,k,l : N de repeticiones admisibles del tipo EJE en la condición i, k, l i: Gradiente térmico (variación diaria y por estación del año) k: Nivel de carga del eje l: distancia rueda borde exterior losa 66 33

34 Fatiga Acumulada ESRS: Eje Simple Rueda Simple ESRD: Eje Simple Rueda Doble TAN: Eje Tándem, con el primer eje en la junta transversal TANS: Eje Tándem, con el segundo eje en la junta transversal TRIT: Eje Tridem, análogo eje Tándem, con un eje en punto de evaluación TRIS: Eje Tridem, con el tercer eje en junta transversal 67 Agrietamiento Longitudinal 68 34

35 Ejemplo 35

36 Análisis de Sensibilidad TENSION POR EJE TANDEM EN DIFERENTES POSICIONES DE LOSA DE HORMIGON 36

37 Análisis de Sensibilidad de tensiones en las fibras superior e inferior de una losa de hormigón Análisis de las tensiones críticas producidas en la fibra inferior y superior de una losa hormigón, debido a un Eje Tándem considerando distintas posiciones de éste sobre losas de hormigón, evaluando las tensiones en el borde longitudinal, borde transversal y en la esquina de la losa. Comparar la diferencia que se presenta en la fibra inferior respecto a la fibra superior en el centro de la losa en la junta longitudinal cuando ésta es cargada por un eje tamdem Parámetros considerados en el análisis Dentro de los parámetros considerados en el análisis de sensibilidad, se encuentran: La influencia del largo de losa. El espesor. El módulo de elasticidad. El gradiente térmico. El módulo de reacción de la subrasante. La transferencia de carga en juntas (longitudinal y transversal). El cálculo de las tensiones necesarias para realizar el análisis de sensibilidad, se obtiene utilizado el programa de elementos finitos ISLAB

38 Parámetrización del análisis Hormigón y Suelo Módulo de Elasticidad 29,000 MPa 20,000 MPa Coeficiente de Poisson 0,15 Densidad 0,0024 kg/cm3 Coeficiente Expansión Térmica 1,1E-05 in./in./ºc Coeficiente de reacción de la surasante, K 120 MPa 90 MPa 60 MPa 40 MPa Espesores [cm] Parametrización del análisis Geometría y transferencia Tamaños de losas [cmxcm] 8 175x x x350 Transferencia de Carga % 0 50% 75% x x x % 75% x x x % 75% x x x % 75% x x x % 75% 38

39 Parametrización del análisis Temperatura Los parámetros estándar considerados en los casos analizados son: Diferencial de temperatura positivo Diferencial de temperatura negativo 0 ºC 10 ºC 20 ºC 30 ºC 0 ºC - 10 ºC - 20 ºC losas aisladas con trasferencia de carga longitudinal y transversal cero; módulo de elasticidad igual a Mpa; módulo de la subrasante 90 Mpa/m diferencial de temperatura cero entrelafibrasuperioreinferiordela losa. Estos datos se mantuvieron fijos salvo cuando el análisis de sensibilidad ameritaba la variación de dichos parámetros. Características de la carga La carga utilizada para el análisis, corresponde a un eje Tándem Rueda Doble, para los casos de carga de borde (borde longitudinal y junta transversal) y Eje Simple Rueda Doble para el caso de carga de esquina. Para el caso del análisis de losas pequeñas, donde las dimensiones del eje no permiten que se ubique completamente dentro de la losa, se analizaron sólo los trenes de ruedas que se encontraban dentro de la losa. 39

40 Análisis tensional POSICIONES DEL EJE TAMDEM Posiciones del Eje Tamdem Análisis tensional borde longitudinal Los puntos de evaluación son en la fibra superior (Posición Eje I ) y fibra inferior (Posición Eje II ) del centro del borde de la losa. 40

41 Posiciones del Eje Tamdem Análisis tensional borde transversal Posiciones del Eje Tamdem Análisis tensional esquina de la losa Para éste análisis se utilizó un eje Simple rueda doble. No fue necesario el análisis delejetándem, debido a queel eje más cercano al centro de la losa, no tiene incidencia en los resultados de la tensión de esquina. 41

42 ANÁLISIS TENSIONAL BORDE LONGITUDINAL DE LA LOSA Los puntos de evaluación son en la fibra superior (Posición Eje I ) y fibra inferior (Posición Eje II ) del centro del borde de la losa. Agrietamiento en la fibra superior. El agrietamiento se produce cuando eje Tándem está centrado en la losa de hormigón Agrietamiento en la fibra inferior. El agrietamiento se produce cuando el eje Tándem está desfasado, de manera que uno de sus ejes está ubicado en el centro de la losa 42

43 Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes Borde longitudinal de la losa Debido al Eje Tándem completo Posición Eje I y Posición Eje I v2: solo a un tren de ruedas (él del pasajero) Ante cambios en el Módulo de Reacción de la Subrasante Posición Eje I y Posición Eje II Ante cambios en el Módulo de Elasticidad Posición Eje I y Posición Eje II Ante cambios en el Traspaso de Carga en la Junta longitudinal Posición Eje I y Posición Eje II Ante cambios en el Traspaso de Carga en la junta transversal Posición Eje I y Posición Eje II Ante cambios en el diferencial de temperatura entre la fibra superior e inferior de la losa Posición Eje I y Posición Eje II Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes debido al Eje Tándem completo Este análisis pretendía determinar la importancia del tren de ruedas más externo a la junta longitudinal sobre la tensión de borde. El análisis se realizó para losas de 2.3 m y 3.5 m. Para cada tamaño de losa se varió el espesor y el Módulo de reacción de la subrasante. 43

44 Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes debido al Eje Tándem completo De los gráficos anteriores se concluyó que la presencia del tren de carga (él del piloto) es despreciable y el tren de carga más cercano a la junta longitudinal es él que produce las tensiones en el borde de la losa. Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el Módulo de Reacción de la Subrasante Posición Eje I, en este caso el eje está centrado en losa pequeña, lo que desplaza las cargas (de los trenes de rueda del eje Tándem) hacia los bordes transversales, produciendo un efecto que arquea la losa (forma convexa), obteniendo mayores tensiones en la fibra superior. 44

45 Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el Módulo de Reacción de la Subrasante De los gráficos anteriores se puede concluir que la variación del Módulo de reacción de la subrasante tiene poca influencia en las tensiones evaluadas en la fibra superior e inferior del centrodelbordedelalosa, Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el Módulo de Elasticidad se puede concluir que la variación del Módulo de elasticidad del hormigón tiene poca o casi nula influencia en las tensiones evaluadas en la fibra superior e inferior del centro delbordedelalosa,paraposiciónejeiyposiciónejeiirespectivamente. 45

46 Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el Traspaso de Carga en la Junta longitudinal Se puede concluir que el aumento de la transferencia de carga longitudinal, produce una disminución en las tensiones en la fibra superior e inferior del centro del borde de la losa, para Posición Eje I y Posición Eje II respectivamente. Siendo más notoria la disminución de lastensiones enlamedida quelalosasehacemásdelgada Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el Traspaso de Carga en la junta transversal Para la posición Eje I, a medida que aumenta el largo de la losa, la transferencia de carga transversal tiene menor influencia sobre las tensiones evaluadas. Para la posición Eje II, el aumento de la transferencia de carga transversal tiene nula influencia sobre las tensiones evaluadas. 46

47 Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el diferencial de temperatura entre la fibra superior e inferior de la losa Se evaluó el efecto que producen en las tensiones resultantes, la variación del diferencial de temperaturas negativo(posición Eje I) y Positivo(Posición Eje II), en losas de distintos tamaños. Diferencial de temperatura negativo 0 ºC - 10 ºC - 20 ºC Diferencial de temperatura positivo 0 ºC 10 ºC 20 ºC 30 ºC Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el diferencial de temperatura entre la fibra superior e inferior de la losa 47

48 Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el diferencial de temperatura entre la fibra superior e inferior de la losa De los gráficos, se observa claramente que un incremento en el diferencial de temperaturas, produce un incremento de las tensiones evaluadas en la losa, además se observa que éste incremento es menor a medida que disminuye el tamaño de la losa. ANÁLISIS TENSIONAL BORDE TRANSVERSAL DE LA LOSA 48

49 Agrietamientos El punto de evaluación de la tensión para la Posición Eje III es en la fibra superior del centro del borde de la losa y para la Posición Eje IV es en la fibra inferior de la losa, bajo la huella de la rueda. Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes Borde transversal de la losa Ante cambios en el Módulo de Reacción de la Subrasante Posición Eje III y Posición Eje IV Ante cambios en el Módulo de Elasticidad Posición Eje III y Posición Eje IV Ante cambios en el Traspaso de Carga en la junta transversal Posición Eje III y Posición Eje IV Ante cambios en el Traspaso de Carga en la junta longitudinal Posición Eje III y Posición Eje IV Ante cambios en el diferencial de temperatura entre la fibra superior e inferior de la losa Posición Eje III y Posición Eje IV 49

50 Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el Módulo de Reacción de la Subrasante (borde transversal) Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el Módulo de elasticidad (borde transversal) 50

51 Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el Traspaso de Carga en la junta transversal (borde transversal) Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el Traspaso de Carga en la Junta longitudinal (borde transversal) 51

52 Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el diferencial de temperatura entre la fibra superior e inferior de la losa (borde transversal) Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el diferencial de temperatura entre la fibra superior e inferior de la losa (borde transversal) De los gráficos se observa claramente, que un incremento en el diferencial de temperaturas produce un incremento de las tensiones evaluadas en la losa, además se observa que éste incremento es menor a medida que disminuye el tamaño de la losa. 52

53 ANÁLISIS TENSIONAL ESQUINA DE LA LOSA Análisis tensional en la esquina de la losa Este análisis buscaba determinar cuál es el impacto sobre los resultados al considerar el eje Tándem completo o sólo una parte de él, como es un par de Ruedas dobles (él de la esquina) o un tren de carga(él del pasajero). Esteanálisisserealizóparalosasde2.3my3.5m.Paracadatamañodelosasevaríaelespesoryel Módulo de reacción de la subrasante. 53

54 Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el Módulo de Reacción de la Subrasante (esquina) Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el Módulo de elasticidad (esquina) 54

55 Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el Traspaso de Carga en la junta longitudinal (esquina) Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el Traspaso de Carga en la Junta transversal (esquina) 55

56 Sensibilidad de las Tensiones Solicitantes ante cambios en el diferencial de temperatura entre la fibra superior e inferior de la losa (borde esquina) Muchas Gracias por su atención!! 56