Seminario Internacional Tecnología e Innovación en Pavimentos de Concreto Lima 29 Marzo 2010 Organizado por:
Seminario Internacional
Tecnología e Innovaciónen Pavimentos de Concreto
Lima 29 Marzo 2010
Organizado por:
Juan Pablo Covarrubias V
Seminario Internacional: Tecnología e Innovación en Pavimentos de Concreto
Lima 29 de Marzo 2010
Métodos de Diseño para Pavimentos Nuevos
Tradicionales:
M-EPDG ( AASHTO 07) – Mecanisista-Empírico
AASHTO 98 – Empírico Mecanisista
PCA - Mecanisista
Catálogos - Empíricos Largo de losa no es relevante en el diseño para determinar el espesor Tamaño de losa se diseña lo más grande posible para disminuir juntas Ancho igual o superior al ancho de pista Largo recomendado por AASHTO es 4,5 m.
Nuevo Concepto de Diseño: TCP®
Largo de losa es parte del diseño del espesor (1,3 a 2,5 m. de largo)
Tamaño de losa optimizada por posición de las cargas del camión
Ancho es parte del diseño (máximo igual a media pista más sobre ancho)
Métodos de Diseño para Rehabilitación de Pavimentos
Soluciones No Adheridas (Baja Fricción) Se diseña como pavimento nuevo Se utiliza el pavimento antigua como base y se repara Se determina “kc” sobre el pavimento existente con falling weight
Whitetopping Tamaño de losa similar a pavimento nuevo con diseño tradicional espesores mayor a 20 cm
Recapado de Hormigón sobre Hormigón Tamaño de losa igual a tamaño de losas del pavimento nuevo con
desfase de junta antigua Se coloca capa intermedia de separacion Espesor mayor a 15 cm
Diseño TCP® Espesores entre 8 y 20 cm losas optimizadas por posición de cargas
Métodos de Diseño para Rehabilitación de Pavimentos
Soluciones Adheridas (Alta Fricción) El pavimento antiguo es parte de la estructura de la carpeta de pavimento,
por lo que la capa nueva se diseña adherida El diseño no considera el tamaño de la losa para determinar el espesor. El asfalto debe tener al menos 7,5 cm de espesor y estar en buenas
condición. Las losas son pequeñas para asegurar adherencia (0,8 a 2,0 m) y el proceso
constructivo debe asegurar esta condición adherida para su correcto funcionamiento
Thin Whitetopping espesor entre 10 y 15 cm
Ultra Thin Whitetopping Espesor menor a 10 cm
Recapado Adherido de Hormigón sobre Hormigón Largo losa igual al largo de losa de pavimento base. Las juntas se
hacen coincidir.
La tecnología TCP® (Thin Concrete Pavements), el método de diseño y construcción de losas delgadas de concreto perfeccionadas para uso
en pavimentación y demás derechos relacionados con dicha tecnología (software, know-how, secretos industriales, marcas comerciales,
manuales, instructivos, etc.), son de propiedad exclusiva de Comercial TCPavements® Ltda. y están protegidos por las leyes y tratados
internacionales vigentes en materia de Propiedad Industrial e Intelectual, en particular por las solicitudes de patente industrial Nos. 2684-05
en Chile, solicitud internacional PCT/EP2006/064732, solicitud 20070094990 en Estados Unidos. ©TCPavements 2005-2009, registro de
propiedad intelectual N°166311, todos los derechos reservados.
Alabeo y Tensiones Para Igual Gradiente Térmico
450 cm x350 cm
Alabeo = 2.41 mm
Tensión = 14.02 kg/cm2
Espesor= 18 cm
Delta T°=-14 C°
140 cm x175 cm
Alabeo = 0.49 mm
Tensión = 1.83 kg/cm2
Comparación de Losa Larga y Corta cargadas por el mismo camión
4,5m x 1m 2.25 m x 1 m
Maximun tensile stress = 24.65 Kg/cm2 Maximun tensile stress = 5.22 Kg/cm2
Principal stresses on the top of the slab, Red is tensile strength
Deformation of the slab
Concepto de Diseño TCP®
Se deben dimensionar las losas de tal forma que, cada losa sea cargada solamente por una rueda o por un set de ruedas.
Protegido por Patente Industrial
“Losas con dimensiones perfeccionadas para pavimentos de calles, caminos o carreteras y metodología para determinar el diseño de dicha losa”.
En:Chile Nº 44820EE.UU. Nº 7.751.581PCT/EP2006/064732Peru solicitud Nº1118-2006Patente y Patente Pendiente en 84 Países
Posición de Las Cargas y Dimensión de las Losas
Diseño AASHTODiseño TCP®
Espesores para Igual Tensión
Espesor: 25 cm Concrete
Losas 4,5m x 3,6m
Espesor: 16 cm Concrete
Losas 1.8m x 1.8 m
Importancia Posición Carga Geometría Losa
5
10
15
20
25
30
50 150 250 350 450
Te
nsi
on
Kg
/cm
2
Largo losa (cm)
Relación Tensión vs Tamaño de losa con Carga Patrón
Sigma Principal Superior
Resumen Espesor para Tráficos Equivalentes(15.000.000 EE)
450x350 350x300 240x175 180x175 140x175
Espesor 25 cm 23 cm 14 cm 16 cm 13 cm
cm
5 cm
10 cm
15 cm
20 cm
25 cm
30 cm
Esp
eso
r
Tamaño Losa Vs Espesor
•*Diseño AASHTO Para 4.5 y 3.5 m (Barras Azules)•Diseño TCP (Barras Verdes)•Cálculos se realizaron considerando tensiones superiores
Características Principales y recomendaciones del Diseño TCP®
• Losas pequeñas (media pista x 1,20 a 2,5 m)
• Base granular (finos < 8%), base asfáltica o BTC
• Geotextil entre sub rasante y base, si es necesario
• Corte de juntas delgado (1,9mm- 2,5mm)
• No requiere sello de juntas
• No requiere barras de transferencia de cargas ni de amarre entre pistas ( salvo juntas construcción)
• Confinamiento lateral
Estudio U. de Illinois
Espesores en estudio 8, 15, 20 cm sobre Base Granular y asfalto
Carga en el borde y en la huella
Hormigón 55 kg/cm2 Flexo 28 dias
CBR 2-6%
Carga equivalente a EE
Resultados Estudio U de Illionis
Se considera como vida útil un daño de 30% de losas Agrietadas* 0% losas agrietadas
Tramos Losa Sur CBR Losa Norte CBR
8 cm 120.000 EE 4% 3.000 EE < 2%
8cm Fibra 234.000 EE* 4% 65.000 EE < 2%
15 cm 22.000.000 EE 6% 14.000.000 EE 2%
20 cm 20.000.000 EE* 6% 50.000.000 EE * 2-3%
10 cm sobre 21 cm Asfalto 10.000.000 EE 5% 2.000.000 EE 2-3%
15 cm sobre 14 cm Asfalto 57.000.000 EE* 5% 69.000.000 EE 2-3%
Software Diseño TCP
Sistema de diseño Mecanicista-Empirico
Utiliza Islab2000 para calcular tensiones en la losa, para todas las condiciones
Se han realizado mas de 200.000 simulaciones
Incorpora la geometría de losa en el diseño.
Simulación Islab 2000
ESRS de 18.000 lbs
EDRD de 25.000 lbs
Presión Neumático 8.9 kg/cm2 (130 psi)
Características medias del Hormigón
Simula solo un eje ya que dimensión de losas lo permite.
Determina tensiones arriba y abajo en la losa y las deformaciones de esta.
Factorial de Variables
Eje Largo Losa
Espesor
CBR LTE Gradientes Tº
Carga Posición Eje
ESRD 140 cm 8 cm 5% 30 % +10 100 % Borde - Esquina
EDRD 180 cm 9cm 10% 50% +5 120 % Borde - Centro
230 cm 10 cm 15% 70% 0 Huella - Corte
…… ….. -5 Huella-Centro
19 cm 45% -10 Junta longitudal - Centro
20 cm 50% -15
80% -20
-25
2 3 12 11 3 8 2 5
Total 190.000 Simulaciones Islab 2000
Posiciones de Carga
Diseño TCP®1. Diseñar las dimensiones de la losa tal que, solo un set de
rueda de los vehículos cargue una losa a la vez.
2. Calcular las tensiones generadas en el concreto para diferentes condiciones (alabeo, espesor, Carga Trafico, Tipo de eje, etc.).
3. Para calcular la cantidad admisibles de pasadas, dado las tensiones generadas en el concreto, se utilizó el modelo de Fatiga, utilizado por el sistema de diseño M-EPDG
22.1
21
3 )**
*(*2)(
CCMOR
CNLog
Diseño TCP®
4. Suma el daño por fatiga generado en cada punto de control (ley de Miner)
5. Calcular % de losas agrietadas (Modelo utilizado por el sistema de diseño M-EPDG (AASHTO 2002))
%CRACK = 1/(1+FD^(– 1.98))
6. Iterar hasta encontrar el resultado óptimo.
Serviciabilidad Pavimentos TCP®
Escalonamiento
Pavimentos con diseño TCP®:
Tienen un quinto del alabeo con respecto a losas AASHTO, como el alabeo es menor el escalonamiento disminuye.
Usan bases granulares con menos de 12% de finos , el agua no afecta la estructura y la salida de finos no cambia la capacidad estructural de la base.
Tienen losas mas pequeñas, aumentando la transferencia de carga, lo que reduce el escalonamiento
Transferencia de carga para distintas aperturas de grietas
Colley and Humphrey
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 5000 10000 15000
Effi
cie
ncy
(%)
Passes
Section 3 - LTE
Joint 51
Joint 58
Section 3 – (South)9 cm PCC & FRCLOAD TRANSFER EFFICIENCY
40 kN22 kN
53 kN
Transferencia de CargaSection 2 (South)
S ec tion 2 - L T E
0
20
40
60
80
100
120
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
P as s es
Eff
icie
nc
y (
%)
J oint 29
J oint 30
J oint 36
J oint 37
40kN 67kN 89kN 111kN 156kN
Transferencia de cargaSection 15 & 20 cm (North)
40kN 67kN 80kN
111kN 156kN
93kN 120kN
Serviciabilidad Pavimentos Guatemala
Mediciones con perfilómetro laser, a 100km/h, con fotos c/10m y mediciónautomática de escalonamiento
IRI
Escalonamiento
ProjectConstruction
year
Proyect
lengthThickness
Design
ESALS
ESALS up
to date
Initial IRI
(m/km)
IRI 2010
(m/km)
Faulting*
(mm)
Amtitlan-Palin 2006 7 km 20 110.000.000 22.000.000 1,76 2,01 <2
San Cristoabl San Lucas 2006 12 km 17 35.000.000 8.235.294 2,1 2,34 <2
San Lucas Milpas 2007 6 km 17 17.000.000 3.000.000 2,15 2,07 <2
Tecpan los Encuentros 2009 35 km 18 20.000.000 1.111.111 1,72 <2* Using high speed profiling
Escalonamiento Proyectos Guatemala
En Guatemala existen pavimentos de 4 años con cargas pesadas, sin señal de escalonamiento.
Optipave
KSEM ( Kc Sistema Estructural Multicapa)
3
1
1
3
1
1
13
1
3
33
1
221
1
...
n
i
i
nn
h
E
Eh
E
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EÊ
Ê
E
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E
q n
n
n
n
n 21
32
2
121
2
0
...1
11381,079.02
Ê
E
E
Êhhh
Ê
E
Ek
n
n
n
n
n
21
322
121
2
1.38
...1
1
1
0167087.0
/qk
Revisión tensiones Maxima Subrasante
Concrete
ATB
CTB
Granular Base
Subgradeσz
Distribución de cargas
Tensiones verticales, losa aislada
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0,0
0
9,7
2
19,4
4
29,1
7
38,8
9
48,6
1
58,3
4
68,0
6
77,7
8
87,5
1
97,2
3
106,9
5
116,6
7
126,4
0
136,1
2
145,8
4
155,5
7
165,2
9
175,0
1
distancia en el borde cm
esfu
erz
os k
g/c
m^
2
TRANSFERENCIAS DE CARGAS50%
Comparacion de Gradientes Termicos en Pavimentos Rigidos,
CALIFORNIA
Gradiente Térmico en Losas
• Ciudad Representativa: Santiago
• Tipo de Clima: Templado Cálido Con LluviasInvernales
0
500
1000
1500
2000
2500
-0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2
CA
NT
IDA
D D
E H
OR
AS
AN
UA
LE
S
GRADIENTE TERMICO (⁰C/cm)
SANTIAGO
FRESNO
SAN DIEGO
• Ciudad Representativa: Rancagua
• Tipo de Clima: Templado Frio Con LluviasInvernales
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
-0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2
CA
NT
IDA
D D
E H
OR
AS
AN
UA
LE
S
GRADIENTE TERMICO (⁰C/cm)
RANCAGUA
SACRAMENTO
Gradiente Térmico en Losas
• Ciudad Representativa: Angol
• Tipo de Clima: Templado Cálido LluviosoCon Influencia Mediterránea
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
-0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2
CA
NT
IDA
D D
E H
OR
AS
AN
UA
LE
S
GRADIENTE TERMICO (⁰C/cm)
ANGOL
LOS ANGELES
SAN FRANCISCO
Gradiente Térmico en Losas
•Análisis Comportamiento 5 tipos de fibras sintéticas para una sola dosificación.
• Resistencia a flexión 48 MPa.• Tamaño máximo de áridos 40 mm.
• Tipos de fibras estudiadas:• Rectangulares lisas• Rectangulares rígidas• Monofilamentos / Fibriladas
• 3 dosis de fibras: 1,5 Kg/m3, 3 Kg/m3, 5 Kg/m3 • Confección de 2 hormigones para cada tipo de hormigón. •Se ensayaron probetas a dos resistencias a 7 y 28 dias:
Incorporación de Fibras en Diseño de Pavimentos
MOR = Resistencia a flexión [MPa]
•Considerar resistencia a flexión efectiva MOR*
• Ensayo Carga deformación. Norma ASTM 1609 -07
MOR*= Resistencia a flexión efectiva
Ensayo de Carga- Deformación
Resultados de ensayos para diferentes tipos de fibras y dosis.
Curvas de dosis de fibra a utilizar para comportamiento requerido. Curvas dependen de Dosificación, Resistencia y edad de hormigón.
Ensayo Carga- Deformación norma ASTM 1609-07
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Resi
sten
cia
a fle
xión
(M
Pa)
Deformación (mm)
S/ Fibras
Fibras 1,5 Kg/m3
Fibras 3 Kg/m3
Fibras 5 Kg/m3
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
0 1 2 3 4 5
Rad
io R
esi
ste
nci
a R
esi
du
al (
%)
Dosis de Fibra (Kg/m3)
Barchipmacro
Masterfiber 50PS
Baxi-Fiber P400
Fibermesh650
RXF 54
Conclusiones :
Producto Optimizado, considerando las mejores practicas y tecnologías actuales para pavimentos de hormigón.
Reduce el costo hasta en un 25% para pavimentos de hormigón y un 20% Pavimentos asfalticos con diseños tradicionales.
Modelo Mecanicista permite calcular el desempeño del pavimento en diferentes condiciones.
Conclusiones :
Menor consumo de energía de iluminación (30%) Evita congestión por mantención Sin costo de mantención de sellos Facilidad de reemplazo de losas
Espesores de los pavimentos: Calles de ciudad 8 – 12 cm. Caminos rurales 12 – 15 cm. Carreteras >15 cm
Proyectos Construidos
Proyecto
Costo Proyecto original Costo Proyecto TCP%
AhorroAhorro Total
Centro distribucion 1 US $ 542.379 US $ 432.064 20%US $ 110.315
Centro distribución 2 US $ 1.144.000 US $ 1.021.429 11%US $ 122.571
Estacionamiento Grúas US $ 337.071 US $ 245.143 27%US $ 91.928
Calle Valdivia US $ 73.543 US $ 71.500 3%US $ 2.043
Para 1500 km- pistas construidos por año en Chile*
Carreteras y caminos y calles US $ 112.612.500 US $ 92.950.000 17%US $ 19.662.500
*Estimacion Ahorro por uso Tecnologia TCP
CASO 1 : Ruta 5: km-251
Caso 1: Ruta 5: km-251
• Condiciones actuales– CTB con Kc = 137 Mpa/m
– Espesor 22cm -23 cm
• TCP®– 50.000.000 EE
– 16 cm (6,4”)
– Hormigón 4,8 Mpa Flexotracción
– 10 % losas agrietadas como umbral de diseño
– 2 m x 1.75 m
– Corte delgado sin Sello
– Sin fierros, solo en junta de construcción
– Pines laterales de confinamientos
Caso 1: Ruta 5: km-251
Losas 400 cm de 22 cm (8,8”) espesor
BTC
Losas 200 cm 16 cm (6,4”) espesor
BTC y Base asfáltica no adherida
29.9Kg/cm2 22.8
Kg/cm2
Caso 2: Sodimac
CBR 15% (6”)
60 cm (2 ft) CBR 40% Plataforma
15 cm (8”) Base Granular < 8% finos
350 Camiones Diarios= 10.000.000 EE
30.000 m2
Santiago, Chile
20% de ahorros
Caso 2: Sodimac
Caso 2: Sodimac
Caso 2: Sodimac
Caso 3: MOP Punta Arenas
CBR 10%
12 cm (4,7”)
50 cm (20”)CBR 60% Base no heladiza
15 cm (6”) Base < 8% finos
Hormigón 4,8 Mpa
1.000.000 Esals
1 km
Santiago, Chile
27 % ahorro
Case 3: MOP Punta Arenas
Case 3: MOP Punta Arenas
Case 4: Antigua Guatemala
TCP Design Febrero 2006
80.000.000 EE
BTC con K = 110 Mpa/m
Asfalto 21 cm, Mal estado
Espesor diseño TCP® 17 cm
20 % losas agrietadas
80cm x 180 cm
Corte delgado
Fierros solo juntas de construcción
Pines Laterales
11.07 km
20% ahorro 21 cm Asfalto
Case 4: Antigua Guatemala 2007
Case 4: Antigua Guatemala 2007
Case 4: Antigua Guatemala 2009
Case 5 Terrapuerto Lima
CBR 15% (6”) Natural Soil
60 cm (2 ft) CBR 40% Construction Platform
15 cm (8”) Granular Base < 8% finos
Traffic 500 buses daily = 10.000.000 EE
30.000 m2
Lima, Peru
Savings 20%
Case 5 Terrapuerto Lima
BM3 Acceso CA9 Sur (2005)Guatemala 120.000.000 EE
15 Años
Espesor 21 cm
Base: Granular y Asfalto deteriorado
Valdivia•2008•Base Granular•8 cm ( 3,5”) and 12 cm (4,7”)Concrete•3% de ahorro ( 2” de asfalto)
Etac (Chile)
•2008•12 cm concrete•Granular base•Same cost as 2” Asphalt
•50.000 EE•8 cm •30% Ahorros ( Adocretos)
Salinas y Fabres 2008Chile
Megacentro Pto Montt.
•2008•11 cm •500.000 EE
Planta Los Fiordos (Chile)
•2007•3.000.000 EE•Base Granular•15 cm
Tottus Mall Trujillo (Perú)
•2007•3.000.000 EE•Base Granular•14 cm
Chincha (Perú)
•DC•2007•Granular Base•4.000.000 Esals•14 cm concrete
Confiperú (Perú)
•2007•Old concrete pavement•3.000.000 Esals •12 cm
Mayor información y contacto en:
www.tcpavements.com