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Ing. Civil EDUARDO BARRETO JARABA
Diseo Avanzado de Pavimentos
Especializacin Vas y Transportes
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ANLISIS EN EL DISEO DE PAVIMENTOS RIGIDOS
En el anlisis de para el diseo de los pavimentos rgidos se ha de tener en
cuenta dos factores de incidencia de deterioro de gran importancia, tal como lo
son la fatiga y la erosin. La primera est ligada a solicitaciones cclicas de
carga generadas por el transito; realmente se debe tener en cuenta la relacin
de esfuerzos inducidos y el modulo de rotura, de tal modo que no sea superado
el modulo. La segunda accin de deterioro, tiene lugar en la capa de soporte
del pavimento, generalmente esta capa es de material granular, lo que se
quiere evitar es que los granulares se desplacen por efecto de erosin y que
generen vacios debajo de la losa, especialmente las juntas, bordes y bermas,
donde las deflexiones ocasionadas por las cargas, puede generar finalmente la
rotura del pavimento.
PARMETROS DE DISEO
1. SUBRASANTE:En si se necesita una capa subyacente que proporcione unapoyo estable, puede ser la Subrasante o Subrasante con una capa
granular, esta capa granular puede ser estabilizada con cemento,
estabilizada con cemento asfaltico o solo suelo granular. A esta capa se le
mide un parmetro de reaccin de nominado K:
K, no es ms que el modulo de reaccin, parmetro que relaciona la presin
necesaria para producir una deflexin dada. Luego K ser un valor obtenido de
la proporcionalidad de la presin generada y la deflexin que se obtenga. Es
K = presin / deflexin
ENSAYO DE PLACA PARA OBTENCIN DE K
El ensayo de placa sirve para evaluar la capacidad portante del suelo de
Subrasante y/o capas granulares.
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Primero se aplica una carga de ajuste o prueba, la cual garantiza que toda la
carga que se aplique la tome el suelo, la carga aplicada Q debe generar una
deformacin promedia de 0,01 a 0,02 pulgadas, despus colocamos la mitad
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de la carga anterior Q/2 y se colocan en cero los diales de lectura de
deformacin.
Cuando se aplican las cargas, se hacen dos incrementos de carga de 5 PSI y
de 10 PSI, hasta lograr que la deformacin promedio se estabilice durante 10
minutos continuos.
Se estabiliza cuando la deflexin es menor a 0,001 pulgadas
Nuevamente se repite el paso anterior, pero con la carga de Q2 de 10 PSI.
El ensayo tiene la ventaja de que puede ser medido sobre la subrasante osobre el conjunto subrasante capa granular.
El valor encontrado es comparado con un valor constante de 200 libras por
pulgadas cubicas; cuando K sea menor de 200 se da por termidado el ensayo,
se determina que el suelo es dbil y se toma el valor de K. Si por el contrario el
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valor de K es mayor de 200 por pulgadas cubicas, se contina con el ensayo
hasta incrementar los esfuerzos a 30 PSI.
Tambin se puede estimar K con una relacin con el CBR:
2. TRANSITO:La mejor metodologa para el diseo de clculo del tensito para
disear los pavimentos rgidos, es por espectro de carga.
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3. PERIODO DE DISEO
Generalmente los pavimentos rgidos tienen periodos de diseo de 20 aos, en
menores proporciones se dan periodos de diseo de 30 o 40. Los periodos de
diseo tienen dependencia directa de los espesores de las losas, los estudios
han demostrado que al aumentar 3 a 6 centmetros de espesor al diseo de un
periodo de 20 aos, se espera que con los incrementos en las capas los
periodos sean de 30 o 40 aos respectivamente.
4. LOSAS DE CONCRETO
La relacin espesor Vs resistencia, no aplica para la obtencin de mayores
resistencias en las losas de concreto rgido; no se puede pretender ganar
resistencia aumentando el espesor de la losa.
Los pavimentos rgidos deben sobrepasar resistencias donde los mdulos de
rotura superen 4,5 Mpa. Hay que tener en cuenta que tampoco se debe
exceder en el modulo, ya que el pavimento se vuelve frgil y susceptibles a
quiebres.
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5. JUNTAS Y BERMAS
Las juntas pueden ser con pasadores o sin pasadores, dependiendo del
espesor de la loas, del trnsito y del efecto erosionante. Luego se puede decir
que la utilizacin o no de pasadores solo depender del anlisis de erosin,
mas no de fatiga.
Las bermas tambin tienen efecto en la erosin del pavimento, excluyendo la
fatiga. Pueden ser fsicas o dibujadas.
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PROCESO GENERAL DE DISEO DE PAVIMENTOS RIGIDOS
ANLISIS DE FATIGA
El anlisis de fatiga, tiene como finalidad, proteger el pavimento contra la
accin de los esfuerzos por la accin repetida de las cargas.
La condicin crtica, para cual se debe analizar, ocurre cuando los esfuerzos
crticos transmitidos por las llantas se colocan cerca o sobre los bordes
laterales del pavimento y a la mitad de las juntas transversales.
Las fallas por fatiga son conocidas cuando un pavimento se parte
transversalmente en el centro de la losa, entonces se puede decir que fall por
fatiga.
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PROCEDIMIENTO DE ANALISIS POR FATIGA
Determinar el esfuerzo de borde:
Se puede determinar con la teora de westergoard
El esfuerzo en el borde se calcula en funcin de:
Magnitud de la carga por llanta
Caractersticas mecnicas del concreto, por estudio se toma
E=280000 Kg/cm2 =0.15
K Modulo de reaccin del apoyo.
Q= Presin de contacto.
a PQ I= Radio de Rigidez Relativa
I=Eccrt Hcct^312(1ccrt)K ; se expresa en unidades de longitud E=kg/cm2 H=cm3; el rango est entre 60 a 90 centmetros.
Condicin Intermedio:
e=6MH^2xF1xF2xF3xF4, donde
e= Esfuerzo equivalente
Me= Factor carga
H= espesor de la losa
F1= Factor de ajuste por rea de contacto
F2= Factor de ajuste para condiciones de borde
F3= Factor de ajuste efecto de la ubicacin del camin en los esfuerzos deborde
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F4= factor de ajuste por incremento en la resistencia del concreto
Calcular el Factor Relacin e Esfuerzos
Las repeticiones cclicas de cargas que genera el transito ocasionan el
fenmeno de fatiga. Cuando estas solicitaciones superan el Mr del pavimento,
se origina la falla por fatiga y el pavimento finalmente se rompe.
A, carga que no la siente el pavimento, B son cargas muy altas y originan
fatiga y la condicin intermedia se consideran cargas normales para el
pavimento, por lo que no genera problemas.
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.Una relacin de esfuerzos del 45% causada por las solicitaciones del trnsito,
no generan dao alguno por fatiga en el pavimento.
Clculo de Consumos por Fatiga
El clculo de consumo por fatiga es dado por la siguiente expresin:
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Clculo de Fatiga Total Acumulada
ANALISIS POR EROSION
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Se deben considerar cinco aspectos para realizar el anlisis de erosin en los
pavimentos rgidos.
Presencia de bermas y tipo de transmisin de carga en las juntas
transversales.
Determinar factores de erosin (FE) para cada tipo de eje en funcin de H
de losa, K y tipo de eje.
Determinar grficamente para cada carga, el eje de repeticiones admisibles
en funcin de FE.
Calcular para cada carga d por eje el factor dao parcial por erosin.
FDP = (NRE/NRA) X 100
Calcular el factor de consumo de dao total por erosin (FDTE) y
compararlo con valor admisible (menor 100%).
___________________________________________________________
Presencia de bermas y tipo de transmisin de carga en las juntas
transversales.
Las esquinas de las losas, estn expuestas a las condiciones ms crticas por
deflexin, estas ocurren con la incidencia directa de las llantas de los vehculos.
De igual forma la transferencia de carga longitudinal tienen dependencia directa
a las deflexiones en las esquinas de losas. Por el contrario las juntas
transversales no tienen efecto en la magnitud de las deflexiones en las
esquinas.
Para calcular la deflexin en las esquina de la losa, se utiliza el mtodo
intermedio y el modelo de Westergaard
MODELO DE WESTERGAARD
Este modelo est en funcin de los siguientes paramentaros:
Carga por llanta
Q presin de inflado.
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a= PQ
I= Radio de Rigidez Relativa
I=EccrtHcct^312(1ccrt)K ;
METODO INTERMEDIO
esq= pc 5 6 7k
Pc = Factor de presin
F5 = Factor de prdida de soporte
F6 = Factor de carga
F7 = Factor de transferencia de carga
K = Mdulo de reaccin del apoyo de la losa
Determinar factores de erosin FE para cada tipo de eje en funcin de H de
losa, K y tipo de eje.
Se procede a calcular el factor de prdida de potencia deformabilidad de suelo,
para ello se utiliza la expresin siguiente.
P= 268.7{(K).()^2
h }
eq=Deflexion en la esquinaH= espesor de diseo de la losa (pulg)
K= Modulo de reaccin del apoyo de la losa (PCI)
La erosin aumenta proporcionalmente al valor de P
Factor de ajuste por racionabilidad de la base de apoyo (C1)
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Determinar grficamente para cada carga, el eje de repeticiones admisibles
en funcin de FE.
Calcular para cada carga d por eje el factor dao parcial por erosin.
FDP = (NRE/NRA) X 100
tipo de soporte de la
losafactor de ajuste
Base granular 1
Mejorada con cemento o
con asfalto0.9
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En A no se genera erosin y en B si se produce erosin.
Calcular para cada carga el consume parcial por erosin.
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Calcular el factor de consumo de dao total por erosin (FDTE) y
compararlo con valor admisible (menor 100%).
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EJERCICIO
Determinar la longitud mxima que debe tener una losa para que no
se parta.
H=20cm
concreto= 2.4 Ton/m3
Losa sobre capa granular subbase
concreto)*(L/2)*f
L=2
(ccrt)
o=0.8 Kg/cm2= 8 Ton/m2
L=28 T/m22.4 1.5
L=4.44 m por lo cual podemos decir L=4 m
Por efectos de rapidez L
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Por lo general F=1.5
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ESFUERZOS POR GRADIENTE TERMICO
Se presenta cuando el pavimento esta en servicio.
La resistencia del pavimento es el modulo de rotura.
Los esfuerzos se llaman por alabeo.
Los esfuerzos por alabeo pueden ser en el borde o en el interior y pueden ser
en sentido x;y ambas.
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