DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS Ing. Diego H. Calo

Transcripción

1 JORNADAS DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS DE HORMIGÓN DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS Ing. Diego H. Calo 20 y 21 de Marzo de 2012 DNVDistrito VI -San Salvador de Jujuy

2 ÍNDICE DE LA PRESENTACIÓN 2

3 Componentes Principales del Sistema 3 Espesor Junta Transversal Junta Longitudinal Calzada de Hormigón Barras de Unión Pasadores Subrasante Subbase o base

4 FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS Fisuración Longitudinal / Transversal 4 Descripción: Fisuras con orientación longitudinal o transversal al eje del pavimento. Causas posibles: Fisuración por fatiga: espesor de calzada insuficiente y/o separación de juntas excesiva. Reflexión de juntas o fisuras de capas inferiores o losas contiguas. Pérdida de soporte por erosión(t). Asentamientos diferenciales(l).

5 Tensiones en Pavimentos Rígidos 5 Datos: Espesor: 25 cm. Largo: 4,50 m. Ancho: 3,65 m. T: 0ºC. k: 150 MPa/m Eje simple 100 KN

6 Tensiones en Pavimentos Rígidos 6 K: 100 MPa/m Datos: Espesor: 25 cm. Largo: 4,50 m. Ancho: 3,65 m. T: 0ºC. Eje simple 100 kn K: 50 MPa/m K: 150 MPa/m

7 Influencia de la Rigidez de apoyo en las tensiones generadas 7 Caso 1: Fundación Perfectamente Rígida Esubbase = Debido a la rigidez de la fundación, la carga no genera deflexiones ni tensiones en la losa. Esubbase = Durante una carga medioambiental, la fundación no acompaña la deformación de la losa y se genera pérdida de apoyo. Caso 2: Fundación Muy Flexible Esubbase = 0 Debido a la falta de soporte la losa deflecta significativamente y se generan elevadas tensiones de flexión. Esubbase = 0 Durante una carga medioambiental, la fundación acompaña la deformación de la losa manteniendo su soporte.

8 Tensiones en Pavimentos Rígidos 8 K: 100 MPa/m Datos: Espesor: 25 cm. Largo: 4,50 m. Ancho: 3,65 m. T: 10ºC. E: 35 GPa. CET: 1, /ºC K: 50 MPa/m K: 150 MPa/m

9 FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS Erosión por Bombeo y Escalonamiento 9 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): Material fino capaz de entrar en suspensión (arenas finas y limos). Disponibilidad de agua en las capas inferiores del pavimento. Deflexiones excesivas en bordes y esquinas.

10 FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS Erosión por Bombeo y Escalonamiento 10 Carga Losa anterior Losa posterior Agua Base / Subbase

11 FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS Erosión por Bombeo y Escalonamiento 11 Carga Losa anterior Losa posterior Base / Subbase

14 FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS Erosión por Bombeo y Escalonamiento 14 Carga Escalonamiento Losa anterior Losa posterior Acumulación de finos Erosión de material Base / Subrasante

15 FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS Erosión por Bombeo y Escalonamiento 15 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

16 Cuándo es necesario una subbase? 16 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.

17 Subbases granulares 17 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.

18 Subbases tratadas con cemento 18 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.

19 19 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

20 20 Deformaciones en Pavimentos Rígidos Datos: Espesor: 25 cm. Largo: 4,50 m. Ancho: 3,65 m. T: 0ºC. k: 150 MPa/m Eje simple 100 KN Carga Interna - Dzmax: 0,144 mm (100%) Carga en Borde - Dzmax: 0,26 mm (180%) Carga en Junta - Dzmax: 0,389 mm (270%) Carga en Esquina - Dzmax: 0,646 mm (450%)

21 21 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 Con cordón integral, si el cordón se ejecuta en una segunda etapa, no hay contribución estructural

22 Transferencia de Carga en Juntas Transversales 22 Trabazón entre agregados por debajo del aserrado primario

23 Transferencia de Carga en Bordes de Calzada 23

24 Sobreancho de Calzada Tensiones - Carga en Borde 1.60 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. CET: 1, /ºC k: 150 MPa/m. Eje Simple: 100 KN Distancia al Borde, m 0.00

25 Influencia de la transferencia de Carga 25 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. E: 35 Gpa. k: 150 MPa/m. Eje Simple: 100 KN En Esquina sin sob y con pas - Dzmax: 0,350 mm (260%)

26 Influencia de la transferencia de Carga 26 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. E: 35 Gpa. k: 150 MPa/m. Eje Simple: 100 KN En Esquina con sob y con pas - Dzmax: 0,216 mm (160%)

27 Método de la Portland Cement Association 27 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 ACPAha lanzado una nueva versión para vías de Bajo Volumen de Tránsito Pesado (ACPA StreetPave).

28 28 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

29 29 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

30 METODO AASHTO 1993 AASHO Road Test ( ) 30 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.

31 Circuitos de Ensayo AASHO

32 Procedimiento AASHTO y sus modificaciones AASHO Interim Guide for the Design of Rigid and Flexible Pavements 1972 AASHTO Interim Guide for the Design of Pavement Structures Revised Chapter III on Portland Cement Concrete Pavement Design 1986 Guide for the Design of Pavement Structures 1993 Revised Overlay Design Procedures 1998 Allowed for seasonal adjustments in k-value

33 Ecuación de Diseño de Pavimentos de Variable Z (Conf:R) Cambio de Serviciabilidad Desvío Estándar PSI Log Global Espesor Log(W 18 ) = Z R *s o+7.35*log(d +1) *10 1+ ( D + 1) Serviciabilidad Final ( ) p t * Log Hormigón Módulo de Rotura 0.75 c* d * *J * D - Transferencia de Carga Coeficiente de drenaje [ ] S' C D Módulo de elasticidad ( E c /k) 025. Modulo de reacción

34 METODO AASHTO 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

35 35 Transferencia de Carga - Efecto de pasadores y Banquina de Hormigón La transferencia de carga en las juntas y bordes de calzada se tiene en cuenta mediante el Factor de Transferencia de Carga, J. Depende del tipo de pavimento, de las condiciones de soporte de bordes y de la transferencia de carga en juntas. Soporte de Borde ESAL s [Millones] JPCP y JRCP (c-pas) JPCP (s-pas) NO SI NO SI < 0,3 3,2 2,7 3,2 2,8 0,3 a 1 3,2 2,7 3,4 3,0 1 a 3 3,2 2,7 3,6 3,1 3 a 10 3,2 2,7 3,8 3,2 10 a 30 3,2 2,7 4,1 3,4 > 30 3,2 2,7 4,3 3,6 Fuente: WinPAS Manual - Simplified Design Guide.

36 Propiedades de la Subrasante /Subbase 36 Propiedades de la subrasante y Subbase asociadas al diseño son: Módulo resiliente subrasante (Mr) Tipo de Subbase (E) Espesor de Subbase Pérdida de Soporte Módulo de reacción Combinado (kc)

37 Propiedades de la Subrasante 37 /Subbase Pérdida de soporte La Pérdida de soporte tiene en cuenta la erosión de la subbase y subrasante. Mediante este factor se reduce el valor k debido a la esperada por la erosión de la subrasante. Una pérdida de soporte de 0 considera la condición del suelo en el ensayo AASHO. Este valor se sitúa entre 0 y 3. A excepción que se prevea una resistencia a la erosión inferior a la condición de la prueba AASHO, adoptar LOS = 0

38 LIMITACIONES DEL MÉTODO AASHTO ACTUAL Una zona climática / 2 años Un tipo de subrasante Limitadas repeticiones de carga Limitadas secciones de estudio 38

39 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. 39 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.

40 Datos Suelos Materiales Tránsito Clima 40 Diseño a Evaluar Confiabilidad Respuestas Estructurales (σ, ε, δ) Modelos de Predicción de comportamiento Fallas Rugosidad Cumple Requisito de Diseño? REVISAR DISEÑO NO Verificación del Comportamiento Criterio de falla SI Diseño Final

41 EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº FISURACIÓN POR FATIGA 41 CARGA SOBRE BORDE EXTERNO Y ALABEO CONVEXO (situación diurna). Tensiones Críticas CARGA SOBRE JUNTAS Y ALABEO CÓNCAVO (Situación Nocturna) Tensiones Críticas

42 EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº ESCALONAMIENTOS DE JUNTAS 42 Máximas deflexiones en esquinas (POSICIÓN CRÍTICA). Concentración de tensiones en interfase losa-apoyo. Disponibilidad de agua por debajo de la losa. Finos disponibles para entrar en suspensión (EROSIONABILIDAD)

43 EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº RUGOSIDAD No existe un modelo de deterioro que prediga la evolución de la rugosidad 43 Se determina a partir de: IRI inicial de construcción Evolución de deterioros (fisuración, escalonamiento, etc) Condiciones climáticas.

44 EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº VERIFICACIÓN 44 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

45 MEPDG - SOFTWARE 45 Período de diseño, Tipo de Pavimento, fecha de Construcción e inauguración. Umbrales de deterioro, Confiabilidad, Rugosidad Inicial. Volumen inicial de vehículos pesados y crecimiento. Distribución mensual y horaria de cada tipo de vehículo Distribución de cargas para cada tipo de vehículo y tipo de eje. Ubicación respecto a la línea demarcatoria (Media, So), Ancho de carril, Configuración de ejes para cada categoría, distancias típicas entre ejes y ruedas, presión de inflado, etc. Selección de estación climática. Espesor de calzada, separación de juntas, tipo de sellado, configuración de pasadores, tipo de Banquinas, ancho de losa, características físicas y mecánicas, etc. Tipo de Base, Características mecánicas, Resistencia a la erosión. Características físicas y mecánicas de las capas restantes y subrasante.

46 46 MEPDG - SOFTWARE Predicted Cracking Percent slabs cracked Cracked at specified reliability Limit percent slabs cracked 70 Percent slabs cracked, % Pavement age, years

47 47 QUE FACTORES PUEDEN ANALIZARSE? COEFICIENTE DE DILATACIÓN TÉRMICA 70 Losas Fisuradas, % CTE = 13 x /ºC CTE = 12 x /ºC CTE = 11 x /ºC CTE = 10 x /ºC CTE = 9 x /ºC Edad, años

48 48 SEPARACIÓN DE JUNTAS TRANSVERSALES 100 Losas Fisuradas, % S = 5,50 m S = 5,25 m S = 5,00 m S = 4,75 m S = 4,50 m Edad, años

49 49 MÓDULO DE ELASTICIDAD DEL HORMIGÓN 70 Losas Fisuradas, % E = 38 GPa E = 36 GPa E = 34 GPa E = 32 GPa E = 30 GPa Edad, años

50 TRANSFERENCIA DE CARGA DIÁMETRO DE PASADORES 50 Escalonamiento, mm Sin Pasadores Pasadores 25 mm Pasadores 32 mm Pasadores 38 mm Pasadores 32 mm c-sob Edad, años

51 51 TRANSFERENCIA DE CARGA EN BORDES Y JUNTAS 7 Escalonamiento, mm Sin Pasadores Sin Pasadores c-sob Pasadores 32 mm Pasadores 32 mm c-sob Edad, años

52 ACPA StreetPave 52 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.

53 53 MODELO DE FATIGA (PCA)

54 54 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

55 FACTORES INVOLUCRADOS EN EL 55 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.

56 PORCENTAJE DE LOSAS FISURADAS Efecto combinado del Porcentaje de losas fisuradas con la confiabilidad. 56 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 0.5 LF 1

57 Ejemplo (ACPA StreetPave) 57

67 67 GRACIAS ING. DIEGO H. CALO COORDINADOR DEPARTAMENTO TÉCNICO DE PAVIMENTOS