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DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS

Ing. Diego H. Calo Dpto. Técnico de Pavimentos

Ciudad Autónoma de Buenos Aires 16- 17 de Octubre de 2013

JORNADA DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS URBANOS DE HORMIGÓN

INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO


MÉTODOS DE DISEÑO

Suelos

Materiales Clima Tránsito


MÉTODOS DE DISEÑO

• En función del tipo de análisis que realizan, las metodologías de

diseño estructural se dividen en:

• Empíricas: se basa en la performance evidenciada en

experiencias y/o experimentos de pavimentos. Este tipo de

aproximaciones son comunes, desde las muy simples (empleo

de soluciones conocidas) a las muy complejas (AASHTO´93).

• Mecanicistas: Es una aproximación puramente científica,

basada a partir del mecanismo de respuesta estructural del

pavimento cuando es solicitado por cargas. Dado lo complejo

que resulta el comportamiento de los pavimentos, no existen

metodologías netamente empíricas.

• Empírico- mecanicistas: Combinan aspectos de ambas

metodologías (ej. Método PCA 1984, ACPA StreetPave).


CATÁLOGOS (ej: Alemania)

Categoría de Ruta

Cantidad de Ejes Equivalentes de 10 T

previstos (30 años)

Tipo de Base

1.1, 1.2 y 1.3 : Base Tratada con cemento.

2 : Base asfáltica.

3 : Base granular.


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 base.

• 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.


• 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 1993

Factores involucrados en el diseño


PORTLAND CEMENT ASSOCIATION 1984

• 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.

• Se basa en un análisis de las tensiones y

deflexiones generadas en las juntas, esquinas y

bordes del Pavimento.

• Considera a las losas con dimensiones Finitas y ubicación variable de las

cargas.

• Recientemente fue actualizado para vías de bajo tránsito pesado

(Pavimentos Urbanos y rutas locales) y relanzado como el Método ACPA

StreetPave).


9


• Capacidad soporte de la subrasante (k subrasante).

• Tipo y espesor de base (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


CALZADA DE HORMIGÓN

• El espesor de calzada es la

principal variable en estudio

durante la etapa de proyecto, dado

que es la que en mayor medida

incide en la capacidad estructural

del pavimento y en el costo global

de la estructura.

• Un criterio sano de ingeniería

implica la elección de espesores de

diseño que equilibren

adecuadamente los costos iniciales

y los de mantenimiento.


SUBRASANTE

Cualquier fundación de pavimentos rígidos deberá verificar el cumplimiento

de los siguientes requisitos:

• Uniformidad: No deberá existir cambios abruptos en las características

de los materiales (zonas débiles o de elevada rigidez)

• Control de subrasantes expansivas para asegurar un soporte uniforme

tanto en temporadas o estaciones húmedas como secas.

• Control de hinchamientos por congelamiento en zonas expuestas a

esta condición.

CUALQUIER PAVIMENTO DE HORMIGÓN EXPERIMENTARÁ

PROBLEMAS CON SUBRASANTES Y BASES NO

APROPIADAMENTE DISEÑADAS Y CONSTRUIDAS



13

¿CUÁNDO ES NECESARIO UNA BASE?

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 – base – banquina.

– Una subrasante compuesta por suelos finos o capaces de entrar en suspensión.

Cuando en un pavimento determinado se prevea la eventual coexistencia de estos

factores el EMPLEO DE UNA BASE NO EROSIONABLE ES DE CARÁCTER

OBLIGATORIO.

Material Fino

ó Erosionable

Tránsito

Pesado

Agua

Disponible

E


BASES GRANULARES Este tipo de bases suelen estar constituidas por una mezcla bien

graduada de diferentes tipos de suelos y agregados. El criterio

principal para emplear una base granular en un pavimento de

hormigón es el de limitar el contenido de finos para evitar:

• que la capa acumule agua y

• que estos sean erosionados por el fenómeno de bombeo.


15

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.

BASES GRANULARES


BASES TRATADAS CON CEMENTO

Corresponde a la mezcla de suelo (en el mas

amplio sentido de su definición) con cemento,

la cual es compactada por medios mecánicos.

Ej: suelo – cemento, suelo – arena- cemento,

grava - cemento, ripio- cemento, estabilizado

granular con cemento, etc.).

Ventajas:

• Aprovechamiento de los materiales locales.

• Incremento de la resistencia a la erosión.

• Evita la consolidación por cargas.

• Menores deflexiones.

• Mejor transferencia de carga.

• Incremento de la rigidez de apoyo.


17

Características (ACPA):


• 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.

BASES TRATADAS CON CEMENTO


BASES DE HORMIGÓN POBRE

• Este tipo de bases se han popularizado

en los últimos años, en especial para

vías donde existe tránsito pesado.

• Se diferencian de las anteriores en que

no requieren compactación mecánica,

lo que en ámbitos urbanos permite

reducir las molestias a los vecinos.

• Suelen ejecutarse de forma similar y

con el mismo equipamiento que se

emplea en los pavimentos de hormigón.

• A diferencia del pavimento, no

requieren la ejecución de juntas

intermedias, y es recomendable

interponer un ruptor de adherencia con

la calzada.


19

BASES DE HORMIGÓN POBRE

Requisitos:


• 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).


SUBRASANTE / BASE

CALIFICACIÓN DEL SOPORTE POR MEDIO

DEL VALOR K EFECTIVO


SUBRASANTE / BASE

Valor k combinado subrasante / base [MPa/m]

Valor k de

Subrasante

[MPa/m]

Espesor de base

100 mm 150 mm 230 mm 300 mm

NT TA TC NT TA TC NT TA TC NT TA TC

13.5 17.6 23.0 27.8 20.3 30.2 40.0 23.0 41.9 59.9 29.7 54.0 82.1

27.0 35.1 41.0 50.0 37.8 52.4 69.4 43.2 69.9 100 51.3 87.8 134

40.5 47.3 58.6 71.0 50.0 73.2 96.4 58.1 95.3 137 68.9 118 179

54.0 59.4 75.6 94.0 62.1 93.2 123 72.9 119 171 86.4 146 222

Valores típicos de Módulo de reacción combinado Subrasante - base

para distintos tipos de bases

NT: base No Tratada.

TA: base Tratada con asfalto.

TC: base Tratada con cemento.


PERÍODO DE DISEÑO

• Es la vida útil teórica del pavimento antes de que éste

requiera una rehabilitación importante o reconstrucción.

• Esta no representa necesariamente la vida útil, la cuál

podrá ser mayor a la supuesta en el diseño, o más corta

debido a un incremento inesperado del tránsito.

• Los períodos de diseño en pavimentos rígidos

comúnmente se definen entre 20 y 40 años.

• Las nuevas tendencias en diseño hacia el empleo de

períodos de diseño superiores (> 40 años?).


Tránsito. Configuración de Cargas por

Eje • La información requerida incluye la cantidad

de vehículos pesados y su composición.

• Para el diseño estructural solamente se

considerarán aquellos vehículos con una

configuración mínima de 2 ejes y eje trasero

con duales.

• El método requiere contar con la distribución

de cargas por eje para cada tipo de Eje

(Simples, Dobles y Triples).

• El método cuenta con un procedimiento

“Simplificado” el cuál incorpora valores

estadísticos de censos de carga en

pavimentos de los Estados Unidos.


Tránsito

Clase Tipo de Pavimento TMDA TPMDA Carga Máx (KN)

Simple Tándem

1 Calles residenciales 200-800 < 25 100 160

2 Calles colectoras 700-5000 40-1000 115 200

3 Arterias menores

3000-12000 (2 carriles)

3000-5000 (4 carriles)

500-5000 130 230

4 Arterias Principales

3000-2000 (2carriles)

3000-150000 (4carriles)

1500-8000 150 270



Habil

PD

n

n

Habil

Medio

TMDAPD

TMDA

TMDA

TMDAFP

1

Tránsito – Factor de Proyección

• Cuantifica el crecimiento de tránsito esperado durante el período de

diseño.

• Es la relación entre el TMDA medio (para el Período de Servicio

considerado) y el TMDA de habilitación

i

iFP

PD11

Para Tasa de crecimiento (i)

uniforme en todo el período

de diseño (PD)


• Factor de Distribución Direccional (por Sentido) suele ser igual a 0,5

(50% del tránsito en cada dirección), aunque existen casos en que

esto no se cumple y en los que se deberá conocer el FDD

correspondiente.

• Factor de Distribución por trocha: se aplica en los casos en que

existan más de una trocha para la misma dirección

Número de trochas

en cada dirección

Porcentaje de ESAL de18-kips

en el carril de Diseño

1 100

2 80-100

3 60-80

4 50-75

Tránsito – Factores de Distribución


Tránsito – Factores de Distribución

1

10

100

50 60 70 80 90 100

TM

DA

(una d

irecci

ón),

en m

iles

Camiones en carril derecho (%)

2 carriles en

una dirección

3 carriles en una

dirección

• Si se emplea el método de la PCA, el método recomienda emplear la

siguiente distribución:


Propiedades físicas y mecánicas del

Hormigón

• Debe determinarse la resistencia media a

flexión a 28 días (in situ).

• Se recomienda evaluar en laboratorio la

relación flexión – compresión del hormigón

con los agregados a emplear.

• Comúnmente se emplean MR a 28 días entre

4,0 MPa y 5,0 MPa.

• Evitar el empleo de hormigones de elevada

resistencia. Se recomienda diseñar con una

resistencia media a flexión a 28 días del

orden de 4,5 MPa.

• Al menos una de las fracciones de agregados gruesos debe encontrarse triturada.

• Evitar el empleo de agregados de elevado coeficiente de expansión térmica.

• Evitar el empleo de agregados de elevado módulo de elasticidad.


Módulo de rotura

Correlaciones de Resistencia

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

5.50

25 30 35 40 45

Resistencia a Compresión, MPa

Resis

tencia

a F

lexió

n,

MP

a

MR = 0.7 x f'c (̂0.5) MR = 0.75 x f'c (̂0.5) MR = 0.8 x f'c (̂0.5)

C σ K MR ×

K = 0,7 Para agregados Redondeados

K = 0,8 Para agregados Triturados


TRANSFERENCIA DE CARGA

Posición crítica de la carga para

las Tensiones de Flexión

Banquina de Hormigón (si existe)

Carril

Junta transversal

Eje

Tándem

Posición crítica de la carga para

las Deformaciones

Banquina de Hormigón (si existe)

Carril

Junta transversal

Eje

Tándem

CRITERIO DE VERIFICACIÓN

POR EROSIÓN

CRITERIO DE VERIFICACIÓN

POR FATIGA


Transferencia de Cargas

Juntas Transversales (Pasadores)

• Permiten reducir significativamente las tensiones generadas a lo largo

de las juntas transversales y las deflexiones desarrolladas en la

esquina de las losas.

• Su inclusión o no depende principalmente del volumen de vehículos

pesados previsto.

Bordes de calzada (Banquina de hormigón o Sobreancho)

• Permiten reducir significativamente las tensiones desarrolladas en los

bordes y las deflexiones generadas en los bordes y esquina de losas.

• Desde el punto de vista estructural, la banquina rígida de hormigón

vinculada, el sobreancho de calzada o la presencia de cordones –

cuneta, tienen un efecto similar.


Transferencia de Cargas

Deflexiones en pavimentos de hormigón

Borde Externo del Pavimento (Borde Libre)

Carril 3,65 m.

Junta longitudinal Central

(actúa como banq. de Hº)

Junta Transv. sin pasadores

2 Di

~2.5 Di 5 Di

~3.5 Di

Di Di

Junta Transv. con pasadores


Factor de Seguridad de Cargas

Se aplica con el fin de resguardar al pavimento de las imprevistas

sobrecargas de vehículos pesados al mayorar las cargas de tránsito

previstas.

Los valores recomendados por la PCA son:

– Autopistas y rutas de alto volumen de tránsito pesado, donde sea

requerido un flujo ininterrumpido del tránsito, FSC=1,2.

– Rutas y arterias importantes con moderado volumen de tránsito

pesado, FSC=1,1.

– Rutas y otras vías de bajo volumen de tránsito pesado y calles

residenciales, FSC=1,0.


SECCIONES TÍPICAS

PARTICULARIDADES DEL ANÁLISIS:

• Método PCA 1984.

• Subrasante (4 Categorías)

• Tipo de Base: No Tratada / Tratada con Cemento

• Período de diseño : 25 años.

• Resistencia a Flexión del H°: 45 kg/cm2

Designación CBR Módulo de reacción

[kg/cm3] Observaciones

I 3% - 5% 2,8 Mala Calidad

II 5% - 10% 3,9 Calidad Regular

III 10% - 15% 5,4 Buena Calidad

IV > 15% 6,3 Muy Buena calidad


SECCIONES TÍPICAS

PARTICULARIDADES DEL ANÁLISIS (continuación):

• Tránsito

• Transferencia de Carga: Pasadores en Categoría D y E.

• FSC: 1,10.

• No se considera aporte del Cordón, o Cordón Cuneta.

Categoría TPMDA

[VP/día]

A Inferior a 5

B De 5 a 10

C De 10 a 50

D De 50 a 100

E De 100 a 500

Tipo de Camión Config.

de ejes Prop.

Ómnibus 1-1 10%

Camión sin acoplado 1-1 25%

1-2 25%

Camión c/acoplado 11-12 20%

Semirremolque 111 20%


SECCIONES TÍPICAS

Ejes simples Ejes Dobles Ejes Triples

Cargas

(tn)

Cantidad

de Ejes

Cargas

(tn)

Cantidad

de Ejes

Cargas

(tn)

Cantidad

de Ejes

10 650 18 21

9 400 16 450 18

8 100 14 15

7 12 12

6 1000 10 9

5 8 6

Total ejes: 2150 Total ejes: 450 Total ejes: 0

DISTRIBUCIÓN DE CARGAS POR EJE


SECCIONES TÍPICAS

Tránsito Categoría A (Hasta 5 Vehículos Pesados/día) Categoría B (De 5 a 10 Vehículos Pesados/día)

Subrasante

Subbase de S.S. ó Suelo Cal / Sin Subbase

Subbase Cementada Subbase de S.S. ó Suelo

Cal / Sin Subbase Subbase Cementada

TIPO I CBR 3-5%

(Mala Calidad)

Calzada 19 cm Calzada 16 cm Calzada 19 cm Calzada 17 cm

S.S. ó S.Cal 15 cm S. Cemento 15 cm S.S. ó S.Cal 15 cm S. Cemento 15 cm

TIPO II CBR 5-10%

(Calidad Regular)


S.S. ó S.Cal 15 cm S. Cemento 15 cm S.S. ó S.Cal 15 cm S. Cemento 15 cm

TIPO III CBR 10-

15% (Buena Calidad)


Subrasante S. Cemento 15 cm Subrasante 15 cm S. Cemento 15 cm

TIPO IV CBR > 15% (Muy Buena

Calidad)


Subrasante S. Cemento 15 cm Subrasante 15 cm S. Cemento 15 cm


SECCIONES TÍPICAS

Tránsito Categoría C (De 10 a 50 Vehículos Pesados/día) Categoría D (De 50 a 100 Vehículos Pesados/día)

Subrasante Subbase Granular Subbase Cementada Subbase Granular Subbase Cementada

TIPO I CBR 3-5%

(Mala Calidad)


Granular 15 cm S. Cemento 15 cm Granular 15 cm S. Cemento 15 cm

TIPO II CBR 5-10%

(Calidad Regular)



TIPO III CBR 10-15%

(Buena Calidad)




Calidad)




SECCIONES TÍPICAS Tránsito Categoría E (de 100 a 500 Vehículos Pesados/día)

Subrasante Subbase Granular Subbase Cementada

TIPO I CBR 3-5%

(Mala Calidad)

Calzada 22 cm Calzada 20 cm

Granular 15 cm S. Cemento 15 cm

TIPO II CBR 5-10%

(Calidad Regular)



TIPO III CBR 10-15%

(Buena Calidad)




Calidad)




• 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 (aceptable al final del período de

servicio).

ACPA STREETPAVE



MODELO DE FATIGA (PCA)


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

Nu

mero

de a

pli

cacio

nes a

dm

isib

les,

Lo

g N

PCA

S = 95%

S = 90%

S = 80%

S = 70%

S = 60%

S = 50%

217.0

24.10

0112.0

log)log(

SSRNf


Confiabilidad

Clasificación Funcional del

Camino

Confiabilidad Recomendada

Urbano Rural

Interestatales, Autopistas 85 - 99 80 – 99

Arterias Principales 80 - 99 75 – 95

Calles Colectoras 80 - 95 75 – 95

Calles Residenciales y Rutas

locales 50 - 80 50 – 80

• Es simplemente un factor de seguridad.

• Se expresa generalmente en %.

• Es una medida de la probabilidad de que el pavimento falle por

Fatiga o Erosión.


Porcentaje de losas Fisuradas

Nivel Recomendado de Losas Fisuradas para cada Tipo de

camino

Tipo de Camino Porcentaje recomendado de Losas

Fisuradas al Final de su Vida Útil

(Por defecto) 15%

Autopistas, Rutas 5%

Arterias Menores 10%

Calles Colectoras 15%

Calles Residenciales 25%


LOSAS FISURADAS - CONFIABILIDAD

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 %

Efecto combinado del Porcentaje de losas fisuradas con la confiabilidad.

0.5

PR11S LF

50% / Fisuradas Losasdad)Confiabili(100%Probable Valor


Ejemplo (ACPA StreetPave) 47


Ejemplo (ACPA StreetPave)

48










Ejemplo (ACPA StreetPave)

53








ING. DIEGO H. CALO

COORDINADOR

DEPARTAMENTO TÉCNICO DE

PAVIMENTOS

[email protected]

GRACIAS

57

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