Diseño de Pavimentos Rígidos - ficem.org · 20 y 21 de marzo de 2012 jornadas de actualizaciÓn tÉcnica diseÑo y construcciÓn de pavimentos de hormigÓn diseÑo de pavimentos
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20 y 21 de Marzo de 2012
JORNADAS DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS DE HORMIGÓN
DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOSIng. Diego H. Calo
DNV Distrito VI - San Salvador de Jujuy
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
ÍNDICE DE LA PRESENTACIÓN2
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Componentes Principales del Sistema
Junta Longitudinal
Junta Transversal
Subrasante
Subbase o base
Espesor
Pasadores
Calzada de Hormigón
Barras de Unión
3
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FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Fisuración Longitudinal / TransversalDescripción: 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).
4
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5
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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6
Tensiones en Pavimentos Rígidos
Datos:
• Espesor: 25 cm.
• Largo: 4,50 m.
• Ancho: 3,65 m.
• ∆T: 0ºC.
• Eje simple 100 kNK: 50 MPa/m
K: 100 MPa/m
K: 150 MPa/m
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7Influencia de la Rigidez de apoyo en
las tensiones generadas
Esubbase = ∞∞∞∞
Esubbase = 0
Esubbase = ∞∞∞∞
Esubbase = 0
Caso 1: Fundación Perfectamente Rígida
Caso 2: Fundación Muy Flexible
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.
Debido a la falta de soporte la losa deflecta significativamente y se generan elevadas tensiones de flexión.
Durante una carga medioambiental, la fundación acompaña la deformación de la losa manteniendo su soporte.
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8
Tensiones en Pavimentos Rígidos
Datos:
• Espesor: 25 cm.
• Largo: 4,50 m.
• Ancho: 3,65 m.
• ∆T: 10ºC.
• E: 35 GPa.
• CET: 1,10 10-5 1/ºCK: 50 MPa/m
K: 100 MPa/m
K: 150 MPa/m
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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.
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
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10
Carga
AguaBase / Subbase
Losa anterior Losa posterior
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
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11
Carga
Base / Subbase
Losa anterior Losa posterior
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
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12
Base / Subbase
Losa anterior Losa posterior
Carga
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
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13
Carga
Base / Subbase
Losa anterior Losa posterior
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
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Carga
Base / Subrasante
Losa anterior Losa posterior
Escalonamiento
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
Acumulación de finosErosión de material
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Tránsito
Escalonamiento Inicial Banq. Externa
Juntas TransversalesJunta Longitud.
Banq. Externa
Incremento del escalonamiento
Banq. Externa
3ER ETAPA
2DA ETAPA
1ER ETAPA
Eyección de Finos
Eyección de Finos
Fisuración Transversal
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
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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 cargaspesadas (camiones) capaces degenerar deflexiones importantes enjuntas y bordes de la calzada dehormigón.
– Disponibilidad de agua en la interfaselosa – subbase – banquina.
– Una subrasante compuesta porsuelos finos o capaces de entrar ensuspensión.
Cuando en un pavimento determinado se prevea la eventual coexistencia de estos factores
el EMPLEO DE UNA SUBBASE NO EROSIONABLE ES DE CARÁCTER OBLIGATORIO.
Material Fino ó Erosionable
Tránsito Pesado
Agua Disponible
E
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Subbases granulares
Requisitos generales• Espesor mínimo: 10 cm.• Tamaño máximo < 1/3 del espesor.• P200 < 15%.• Desgaste Los Angeles < 50%.
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.
Recomendaciones:• No emplear espesores mayores de 15 cm.• Deberá especificarse una densidad mínima del 98% del T-180.
Si el material cuenta con excesivos contenidos de finos, la capa puede almacenar agua encontrándose disponible para la erosión por bombeo
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Subbases tratadas con cementoCaracterísticas (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.
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Subbases de Hormigón PobreRequisitos:
• 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 KNCarga 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%)
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Con cordón integral, si el cordón se ejecuta en una
segunda etapa, no hay contribución estructural
TRANSFERENCIA DE CARGA
D2 = 0
D1 = x
Mala Transferencia de Carga
• Trabazón entre agregados
• Pasadores
• Banquina de hormigón
– Banquina Vinculada
– Cordón Cuneta
– Sobreancho de Carril
Es la capacidad de una losa de transferir su carga a una losa vecina
D1 = X/2 D2 = X/2
Buena Transferencia de Carga
Tienen un efecto similar
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Transferencia de Carga en Juntas Transversales
Trabazón entre agregados por debajo del aserrado primario
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23Transferencia de Carga en Bordes de
Calzada
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24
Sobreancho de Calzada
Datos:
• Espesor: 25 cm.
• Largo: 4,50 m.
• Ancho: 4,25 m.
• ∆T: 0ºC.
• CET: 1,10 10-5 1/ºC
• k: 150 MPa/m.
• Eje Simple: 100 KN
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
0 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75
Distancia al Borde, m
Ten
sion
es M
áxim
as (
Fon
do d
e Lo
sa),
MP
a
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
Def
orm
ació
n M
áxim
a, m
m
Tensiones - Carga en Borde
Deformaciones - Carga en Esquina
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25
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 CementAssociation
• 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).
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Ubicación Crítica de Cargas
Posición crítica de la carga paralas Tensiones de Flexión
Banquina de Hormigón(si existe)
Carril
Junta transversal
EjeTándem
Posición crítica de la carga paralas Deformaciones
Banquina de Hormigón(si existe)
Carril
Junta transversal
EjeTándem
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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 1993AASHO 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.
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Circuitos de Ensayo AASHO
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Procedimiento AASHTO y susmodificaciones
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
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( )
+
LogPSI
4.5 - 1.5
1 +1.624 *10
D
7
+
∆
18 46.
Log(W18) Z *s +7.35 *Log(D +1) -0.06R o=
Variable Z (Conf:R) Desvío Estándar Global Espesor
Cambio de Serviciabilidad
( )+ 4.22 - 0.32pt
*
( )
Log
215.63*J * D -18.42
E /k
0.75
c
0 25.
ServiciabilidadFinal [ ]S' C D 1.132c d
0.75 −* *
Coeficientede drenaje
Transferenciade Carga
Módulo deRotura
Módulo de elasticidad
Modulo de reacción
Ecuación de Diseño de Pavimentos de Hormigón 1986-93
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• 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).• Desvío Global (so).
METODO AASHTO 1993Factores involucrados en el diseño
Siempre incorporar 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 encuenta mediante el Factor de Transferencia de Carga, J.
• Depende del tipo de pavimento, de las condiciones de soporte debordes y de la transferencia de carga en juntas.
ESAL´s [Millones]
Soporte de Borde
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.
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Propiedades de la Subrasante /Subbase
• Módulo resiliente subrasante (Mr)
• Tipo de Subbase (E)• Espesor de Subbase
Pérdida de Soporte
Módulo de reacción Combinado (kc)
Propiedades de la subrasante y Subbase asociadas al diseño son:
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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 secciones
de estudio
Limitadas repeticiones de carga
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MEPDGCLAVES QUE POSIBILITARON EL CAMBIO
• Los fundamentos técnicosdesarrollados en las últimas 3 décadasa través de las distintasinvestigaciones llevadas a cabo enpavimento permitieron el desarrollo deun procedimiento de base mecanicista.
• La disponibilidad de informaciónrelativa a performance a largo plazorecabada en pavimentos en servicio(LTPP) que permitió la calibración yvalidación de dichos modelos.
• La velocidad de los procesadoresactuales y la capacidad dealmacenamiento de las computadorasmodernas.
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Diseño a Evaluar
DatosSuelos Materiales Tránsito Clima
Respuestas Estructurales (σ, ε, δ)
Modelos de Predicción de comportamientoFallas Rugosidad
Verificación del ComportamientoCriterio de falla
ConfiabilidadNO
SI
Diseño Final
REV
ISA
R D
ISEÑ
O
Cumple Requisito
de Diseño?
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EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSºFISURACIÓN POR FATIGA
Tensiones Críticas
CARGA SOBRE BORDE EXTERNO Y ALABEO
CONVEXO(situación diurna).
Tensiones Críticas
CARGA SOBRE JUNTAS Y ALABEO CÓNCAVO (Situación
Nocturna)
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EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSºESCALONAMIENTOS 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
Se determina a partir de:
• IRI inicial de construcción
• Evolución de deterioros (fisuración, escalonamiento, etc)
• Condiciones climáticas.
No existe un modelo de deterioro que prediga la evolución de la rugosidad
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EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSºVERIFICACIÓN
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
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45MEPDG - SOFTWARE
• 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 devehículo
• Distribución de cargas para cada tipo de vehículo ytipo de eje.
• Ubicación respecto a la línea demarcatoria (Media,So), Ancho de carril, Configuración de ejes para cadacategoría, distancias típicas entre ejes y ruedas,presión de inflado, etc.
• Selección de estación climática.
• Espesor de calzada, separación de juntas, tipo desellado, configuración de pasadores, tipo deBanquinas, ancho de losa, características físicas ymecánicas, etc.
• Tipo de Base, Características mecánicas, Resistenciaa la erosión.
• Características físicas y mecánicas de las capasrestantes y subrasante.
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MEPDG - SOFTWARE
Predicted Cracking
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Pavement age, years
Per
cent
sla
bs c
rack
ed, %
Percent slabs cracked
Cracked at specified reliability
Limit percent slabs cracked
46
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¿QUE FACTORES PUEDEN ANALIZARSE?
COEFICIENTE DE DILATACIÓN TÉRMICA
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25
Edad, años
Losa
s F
isur
adas
, %
CTE = 13 x 10-6 1/ºC
CTE = 12 x 10-6 1/ºC
CTE = 11 x 10-6 1/ºC
CTE = 10 x 10-6 1/ºC
CTE = 9 x 10-6 1/ºC
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SEPARACIÓN DE JUNTAS TRANSVERSALES
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25
Edad, años
Losa
s F
isur
adas
, %
S = 5,50 m
S = 5,25 m
S = 5,00 m
S = 4,75 m
S = 4,50 m
48
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MÓDULO DE ELASTICIDAD DEL HORMIGÓN
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25Edad, años
Losa
s F
isur
adas
, %
E = 38 GPa
E = 36 GPa
E = 34 GPa
E = 32 GPa
E = 30 GPa
49
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TRANSFERENCIA DE CARGADIÁMETRO DE PASADORES
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5 10 15 20 25
Edad, años
Esc
alon
amie
nto,
mm
Sin Pasadores
Pasadores 25 mm
Pasadores 32 mm
Pasadores 38 mm
Pasadores 32 mm c-sob
50
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TRANSFERENCIA DE CARGA EN BORDES Y JUNTAS
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5 10 15 20 25
Edad, años
Esc
alon
amie
nto,
mm
Sin Pasadores
Sin Pasadores c-Sob
Pasadores 32 mm
Pasadores 32 mm c-sob
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52
• Método de diseño de pavimentosde hormigón basado en el métodode la Portland CementAssociation (1984).
• Se había desarrolladooriginalmente como un nuevosoftware bajo Windows quereemplazara el PCAPAV
ACPA StreetPave
• Se recomienda aplicarlo para el diseño de arterias con bajos volúmenes detránsito pesado.
• Se consideró que algunos aspectos del método anterior llevaban asoluciones muy conservadoras, por lo cuál fue extensivamente revisado.
• Se conservaron ambos criterios de verificación, aunque eliminando aquellosfactores que se consideró que generaban un sobre-dimensionamiento.
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MODELO DE FATIGA (PCA)
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MODELO DE FATIGA (ACPA)
0
2
4
6
8
10
12
14
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Relación de Tensiones
Num
ero
de a
plic
acio
nes
adm
isib
les,
Log
N
PCA
S = 95%
S = 90%
S = 80%
S = 70%
S = 60%
S = 50%
( ) 217.024.10
0112.0log
)log(
⋅−=− SSR
Nf
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55
• 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.
FACTORES INVOLUCRADOS EN EL DISEÑO
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56PORCENTAJE DE LOSAS FISURADAS
Clasificación Confiabilidad Losas FisuradasLosas 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 %
Efecto combinado del Porcentaje de losas fisuradas con la confiabilidad.
( )5.0
11 LFPR
S⋅−−=
50% / Fisuradas Losasdad)Confiabili(100%ProbableValor ⋅−=
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Ejemplo (ACPA StreetPave)57
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Ejemplo (ACPA StreetPave)58
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Ejemplo (ACPA StreetPave)59
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Ejemplo (ACPA StreetPave)60
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Ejemplo (ACPA StreetPave)61
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Ejemplo (ACPA StreetPave)62
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Ejemplo (ACPA StreetPave)63
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Ejemplo (ACPA StreetPave)64
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Ejemplo (ACPA StreetPave)65
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Ejemplo (ACPA StreetPave)66
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ING. DIEGO H. CALO
COORDINADOR
DEPARTAMENTO TÉCNICO DE PAVIMENTOS
dcalo@icpa.com.ar
GRACIAS
67
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