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

DNV Distrito VI - San Salvador de Jujuy

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ÍNDICE DE LA PRESENTACIÓN

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Componentes Principales del Sistema Espesor Junta Longitudinal Junta Transversal

Calzada de Hormigón Barras de Unión

Pasadores

Subrasante Subbase o base

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FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS

Fisuración Longitudinal / Transversal 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). INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

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Tensiones 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

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Tensiones en Pavimentos Rígidos

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

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Influencia de la Rigidez de apoyo en las tensiones generadas Caso 1: Fundación Perfectamente Rígida

Esubbase = ∞

Esubbase = ∞ Debido a la rigidez de la fundación, la carga no genera deflexiones ni tensiones en la losa.

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.

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Tensiones en Pavimentos Rígidos

K: 100 MPa/m

Datos: • Espesor: 25 cm. • Largo: 4,50 m. • Ancho: 3,65 m. • ∆T: 10ºC. • E: 35 GPa.

K: 50 MPa/m

K: 150 MPa/m

• CET: 1,10 10-5 1/ºC

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FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS

Erosión por Bombeo y Escalonamiento 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. INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

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FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS

Erosión por Bombeo y Escalonamiento Carga

Losa posterior

Losa anterior Agua

Base / Subbase

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FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS

Erosión por Bombeo y Escalonamiento Carga

Losa anterior

Losa posterior Base / Subbase

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FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS

Erosión por Bombeo y Escalonamiento Carga

Losa anterior

Losa posterior Base / Subbase

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FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS

Erosión por Bombeo y Escalonamiento Carga

Losa anterior

Losa posterior Base / Subbase

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FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS

Erosión por Bombeo y Escalonamiento Carga

Escalonamiento Losa posterior

Losa anterior

Base / Subrasante Acumulación de finos

Erosión de material

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FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS

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Erosión por Bombeo y Escalonamiento 1ER ETAPA Junta Longitud.

Juntas Transversales

Tránsito

Banq. Externa

Escalonamiento Inicial

2DA ETAPA Incremento del escalonamiento

Banq. Externa Eyección de Finos

3ER ETAPA Fisuración Transversal

Banq. Externa Eyección de Finos

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¿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.

Tránsito Pesado

E Agua Disponible

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.

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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. INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

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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: 600.000 a 1.000.000 psi (de 4100 a 6900 MPa). • Romper la adherencia con emulsión asfáltica, film de polietileno o dos capas de membrana en base a parafina. INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

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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

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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 Junta - Dzmax: 0,389 mm (270%)

Carga en Borde - Dzmax: 0,26 mm (180%)

Carga en Esquina - Dzmax: 0,646 mm (450%)

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TRANSFERENCIA DE CARGA Es la capacidad de una losa de transferir su carga a una losa vecina

D1 = X/2

D1 = x

D2 = X/2

D2 = 0

Mala Transferencia de Carga

• Trabazón entre agregados • Pasadores • Banquina de hormigón – Banquina Vinculada – Cordón Cuneta – Sobreancho de Carril

Buena Transferencia de Carga

Tienen un efecto similar

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

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Transferencia de Carga en Juntas Transversales

Trabazón entre agregados por debajo del aserrado primario INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

Transferencia de Carga en Bordes de Calzada

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Sobreancho de Calzada 1.80

0.70 Tensiones - Carga en Borde

• Espesor: 25 cm. • Largo: 4,50 m. • Ancho: 4,25 m.

Deformaciones - Carga en Esquina

0.60

1.40 0.50 1.20 0.40

1.00

0.80

0.30

0.60 0.20 0.40

• ∆T: 0ºC.

0.10

• CET: 1,10 10-5 1/ºC • k: 150 MPa/m. • Eje Simple: 100 KN

0.20

0.00

0.00 0

0.15

0.3

0.45

Distancia al Borde, m

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0.6

0.75

Deformación Máxima, mm

Datos:

Tensiones Máximas (Fondo de Losa), MPa

1.60

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Influencia de la transferencia de Carga

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%)

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Influencia de la transferencia de Carga

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%)

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Método de la Portland Cement Association

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• 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 1984. • 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). INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

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Ubicación Crítica de Cargas Junta transversal

Junta transversal

Carril Eje Tándem

Banquina de Hormigón (si existe)

Posición crítica de la carga para las Deformaciones

Carril Eje Tándem

Banquina de Hormigón (si existe)

Posición crítica de la carga para las Tensiones de Flexión

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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

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METODO AASHTO 1993 AASHO Road Test (1958-1960) • 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. INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

Circuitos de Ensayo AASHO

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Procedimiento AASHTO y sus modificaciones 1961-62 AASHO Interim Guide for the Design of Rigid and Flexible Pavements 1972 AASHTO Interim Guide for the Design of Pavement Structures - 1972 1981 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 INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

Ecuación de Diseño de Pavimentos de Hormigón 1986-93 Cambio de Serviciabilidad Variable Z (Conf:R)

  PSI ∆   Espesor  Log    4.5 - 1.5     Log(W18) =Z R *s o +7.35 *Log(D +1) -0.06 +  1.624 *10 7  1 + 8 . 46  Módulo de  (D + 1)  Rotura Desvío Estándar Global

Coeficiente de drenaje

    0.75  S' c * C d * D − 1.132  + (4.22 - 0.32pt ) *Log    0.75 18.42   215.63*J *D 0.25   (E c /k)    Serviciabilidad Final

[

Transferencia de Carga

]

Módulo de elasticidad

Modulo de reacción

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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 ( Ec) Módulo de reacción de la subrasante (k, LOS) Coeficiente de drenaje (Cd) Confiabilidad (R, ZR). Siempre incorporar Desvío Global (so).

el valor medio o más probable

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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

1a3

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.

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Propiedades de la Subrasante /Subbase 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) INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

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Propiedades de la Subrasante /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

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LIMITACIONES DEL MÉTODO AASHTO ACTUAL

Una zona climática / 2 años

Un tipo de subrasante Limitadas repeticiones de carga

Limitadas secciones de estudio

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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. INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

Suelos

Datos Materiales Tránsito

40 Clima

REVISAR DISEÑO

Diseño a Evaluar

Respuestas Estructurales (σ, ε, δ)

Modelos de Predicción de comportamiento Fallas Rugosidad Cumple Requisito de Diseño?

Confiabilidad Verificación del Comportamiento Criterio de falla

SI Diseño Final

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NO

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

CARGA SOBRE JUNTAS Y ALABEO CÓNCAVO (Situación Nocturna)

Tensiones Críticas

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EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº ESCALONAMIENTOS DE JUNTAS • 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)

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EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº RUGOSIDAD No existe un modelo de deterioro que prediga la evolución de la rugosidad

Se determina a partir de: • IRI inicial de construcción • Evolución de deterioros (fisuración, escalonamiento, etc) • Condiciones climáticas. INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº VERIFICACIÓN

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El diseño propuesto será verificado con el criterio de verificación para cada tipo de falla.

Fisuración

Escalonamiento

Rugosidad

(Máximo permitido) De 10% a 45%

(Máximo permitido) De 2,5mm a 5,0mm

(Máximo permitido) De 2,5 m/km a 4,0m/km

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MEPDG - SOFTWARE

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• 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.

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MEPDG - SOFTWARE Predicted Cracking 100

Percent slabs cracked Cracked at specified reliability Limit percent slabs cracked

90

80

Percent slabs cracked, %

70

60

50

40

30

20

10

0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Pavement age, years

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¿QUE FACTORES PUEDEN ANALIZARSE? COEFICIENTE DE DILATACIÓN TÉRMICA 70 CTE = 13 x 10-6 1/ºC 60 Losas Fisuradas, %

CTE = 12 x 10-6 1/ºC 50

CTE = 11 x 10-6 1/ºC CTE = 10 x 10-6 1/ºC

40

CTE = 9 x 10-6 1/ºC 30 20 10 0 0

5

10

15 Edad, años

20

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SEPARACIÓN DE JUNTAS TRANSVERSALES

Losas Fisuradas, %

100 90

S = 5,50 m

80

S = 5,25 m

70

S = 5,00 m

60

S = 4,75 m S = 4,50 m

50 40 30 20 10 0 0

5

10

15

20

Edad, años

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MÓDULO DE ELASTICIDAD DEL HORMIGÓN 70 E = 38 GPa

Losas Fisuradas, %

60

E = 36 GPa E = 34 GPa

50

E = 32 GPa 40

E = 30 GPa

30 20 10 0 0

5

10

15 Edad, años

20

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25

50

TRANSFERENCIA DE CARGA DIÁMETRO DE PASADORES 7 Sin Pasadores

Escalonamiento, mm

6

Pasadores 25 mm Pasadores 32 mm

5

Pasadores 38 mm Pasadores 32 mm c-sob

4 3 2 1 0 0

5

10

15

20

Edad, años

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25

51

TRANSFERENCIA DE CARGA EN BORDES Y JUNTAS 7 Sin Pasadores 6

Sin Pasadores c-Sob

Escalonamiento, mm

Pasadores 32 mm 5

Pasadores 32 mm c-sob

4 3 2 1 0 0

5

10

15

20

Edad, años

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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. INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

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MODELO DE FATIGA (PCA)

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MODELO DE FATIGA (ACPA) Numero de aplicaciones admisibles, Log N

14

 − SR −10.24 ⋅ log(S )  log( Nf ) =   0 . 0112  

12

10

PCA

0.217

S = 95% S = 90% S = 80% S = 70% S = 60%

8

S = 50% 6

4

2

0 0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Relación de Tensiones

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0.9

1

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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.

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PORCENTAJE DE LOSAS FISURADAS Efecto combinado del Porcentaje de losas fisuradas con la confiabilidad. 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 %

Clasificación

Valor Probable = (100% − Confiabilidad) ⋅ Losas Fisuradas / 50%

( 1 − R ) ⋅ PLF S = 1− 0.5

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Ejemplo (ACPA StreetPave)

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Ejemplo (ACPA StreetPave)

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59

Ejemplo (ACPA StreetPave)

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60

Ejemplo (ACPA StreetPave)

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Ejemplo (ACPA StreetPave)

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Ejemplo (ACPA StreetPave)

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Ejemplo (ACPA StreetPave)

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Ejemplo (ACPA StreetPave)

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Ejemplo (ACPA StreetPave)

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Ejemplo (ACPA StreetPave)

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GRACIAS ING. DIEGO H. CALO COORDINADOR DEPARTAMENTO TÉCNICO DE PAVIMENTOS [email protected]

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