DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS Ing. Diego H. Calo - ICPA

JORNADA DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICADISEÑO Y CONSTRUCCION DE PAVIMENTOS DE HORMIGONDISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOSIng. Diego H. Calo6-7 de Abril de 2010Dirección Nacional de Vialidad – Casa CentralCiudad Autónoma de Buenos Aires

Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº SimpleFisuración Transversal o Longitudinal2Descripción: Fisuras con orientación perpendicular olongitudinal al eje del pavimento.Causas posibles:• Fisuración temprana por aserrado tardío.• Fisuración por fatiga: espesor de calzadainsuficiente y/o separación de juntas excesiva paralas solicitaciones impuestas (cargas de tránsito ymedio ambientales).• Pérdida de soporte por erosión.• Reflexión de juntas o fisuras de capas inferiores ode losas adyacentes.• Asentamientos diferenciales (longitudinales).INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº SimpleErosión por Bombeo y Escalonamiento3Descripción: Movimiento del agua (con material ensuspensión) ubicada debajo de la losa o su eyecciónhacia la superficie como resultado de la presióngenerada por la acción de las cargas.Causas (deben coexistir los siguientes factores):• Material fino capaz de entrar en suspensión (arenasfinas y suelos finos).• Disponibilidad de agua en las capas inferiores delpavimento.• Deflexiones excesivas en bordes y esquinas.Como evitarla:• Provisión de una subbase resistente a la erosión bajotránsito pesado.• Evitar el ingreso de agua y/o facilitar su remoción.• Mejorar las condiciones de transferencia de carga.INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº SimpleErosión por Bombeo y Escalonamiento41 ER ETAPAJuntaLongitud.Juntas TransversalesTránsitoEscalonamiento InicialBanq. Externa2 DA ETAPAIncremento delescalonamientoBanq. Externa3 ER ETAPAEyección de FinosFisuraciónTransversalBanq. ExternaEyección de FinosINSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

5¿Cuándo es necesario una subbase?Existe riesgo de erosión por bombeocuando se presentan en formasimultánea las siguientes condiciones:– Repeticiones reiteradas de cargaspesadas (camiones) capaces degenerar deflexiones importantesen juntas y bordes de la calzadade hormigón.– Disponibilidad de agua en lainterfase losa – subbase –banquina.– Una subrasante compuesta porsuelos finos o capaces de entraren suspensión.AguaDisponibleTránsitoPesadoEMaterial Finoó ErosionableCuando en un pavimento determinado se prevea la eventual coexistencia de estosfactores el EMPLEO DE UNA SUBBASE NO EROSIONABLE ES DECARÁCTER OBLIGATORIO.INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

6Resistencia a la ErosiónClaseABCDEPotencial de ErosiónExtremadamenteResistente a la erosiónResistente a la erosiónResistente a la erosiónbajo ciertas condicionesBastante erosionablesMuy erosionablesTipo de MaterialHormigón pobre con 7% - 8% de cemento óconcreto asfáltico con 6% de asfalto.Material granular tratado con 5% de cemento.Material granular elaborado en planta con 3,5%de cemento o 3% de asfalto.Material granular elaborado in situ con 2,5% decemento; suelos finos tratados con cemento insitu; Materiales granulares limpios, biengraduados y de buena calidad.Materiales granulares contaminados no tratados;Suelos finos no estabilizados.INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

7Subbases granularesEl criterio principal para emplear una subbase granular en un pavimento dehormigón es el de limitar el contenido de finos que pasan el Tamiz #200.Si el material cuenta con excesivoscontenidos de finos, la capa puedealmacenar agua encontrándosedisponible para la erosión por bombeoRequisitos 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 mínimadel 98% del T-180.INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

8Subbases tratadas con cementoCaracterísticas (ACPA):• Espesor mínimo: 10 cm.• Tipo de suelo recomendado para tránsitopesado: A1, A2-4, A2-5 y A3 (ACPA).• Tamaño máximo: 75 mm.• Durabilidad por congelamiento – deshielo yhumedecimiento – 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 1.000.000psi (de 4100 a 6900 MPa).• Romper la adherencia con emulsión asfáltica,film de polietileno o dos capas de membranaen base a parafina.INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

9Subbases 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 ejecuciónde juntas en la subbase de hormigón pobre.• Una terminación lisa es conveniente (menorfricción).• Se recomienda romper la adherencia con lacalzada mediante un film de polietileno.Subbase de Hormigón PorosoINSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

12Sistemas de SubdrenajeTipos de Sistemas empleados (Fuente: MEPDG)Tipo Ia: Base permeable con Dren LongitudinalINSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

13Sistemas de SubdrenajeTipos de Sistemas empleados (Fuente: MEPDG)Tipo Ib: Base permeable hasta el talud.INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

14Sistemas de SubdrenajeTipos de Sistemas empleados (Fuente: MEPDG)Tipo IIa: Base no erosionable con drenlongitudinalTipo IIb: Base no erosionable con drenlongitudinal y relleno de HºPºINSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

15Sistemas de Subdrenaje¿Cuando se necesita un sistema de Subdrenaje?• Los sistemas de drenaje son elementos de diseño que incrementansensiblemente el costo de construcción.• A fin de que se encuentren plenamente justificados, debe probarse que generanuna mejora en el desempeño del pavimento.• En USA se han efectuado una serie de proyectos de investigación para brindaruna respuesta a estas inquietudes (NCHRP 1-34 a 1-34D).• Conclusiones a las que arribó este estudio:- La rigidez de la base resultó ser más influyente que el drenaje en el comportamiento delos pavimentos de hormigón.- Se ha observado que existe una rigidez óptima (ni muy rígida, ni muy flexible).- La presencia de agua en la estructura del pavimento ha resultado muy perjudicial en eldesempeño del pavimento en el pasado.- Los diseños actuales son menos susceptibles a los daños por exceso de humedad(mayores espesores, mejor calidad de materiales, uso extensivo de pasadores, etc.INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

16Sistemas de Subdrenaje¿Cuando se necesita un sistema de Subdrenaje?“El estado del arte actual es tal que no es posible establecer definicionesconcluyentes acerca de la efectividad de los sistemas de subdrenaje o lanecesidad de drenaje subsuperficial” (fuente: MEPDG Part 3. Design Analysis).De cualquier manera, bajo determinadas condiciones, el empleo de un sistema desubdrenaje puede encontrarse justificado, en especial en tránsito pesado, climashúmedos y suelos de subrasante de baja permeabilidad.CondiciónclimáticaHúmeda concongelamientoHúmeda sincongelamientoSeca concongelamientoSeca sincongelamientoMás de 12 millones decamiones en el carril dediseño en 20 añosk

17TRANSFERENCIA DE CARGAEs la capacidad de una losa de transferir su carga a una losavecinaD1 = xD2 = 0D1 = X / 2D2 = X / 2Mala Transferencia de CargaBuena Transferencia de Carga• Trabazón entre agregados• Pasadores• Banquina de hormigón– Banquina Vinculada– Cordón Cuneta– Sobreancho de CarrilTienen unefecto similarINSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

18BANQUINA EXTERNA RÍGIDA VINCULADA• Es recomendable que las banquinas seconstruyan del mismo material que la calzadaprincipal con el fin de facilitar las condiciones deconstrucción, mejorar la performance global delpavimento y reducir los costos demantenimiento.• La vinculación al borde externo de calzadapermite una reducción significativa de lasdeflexiones y tensiones generadas por cargas,reduciendo los espesores de diseño (de 2 a 4cm).• Se recomienda el empleo de banquinasvinculadas de espesor total (considerar elempleo de sección variable).• Minimiza la infiltración de agua (mejor drenajesuperficial).INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

SOBREANCHO DE CALZADA19INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

Sobreancho de Calzada201.800.701.60Tensiones - Carga en BordeDeformaciones - Carga en Esquina0.60Datos:• Espesor: 25 cm.• Largo: 4,50 m.• Ancho: 4,25 m.Tensiones Máximas (Fondo de Losa), MPa1.401.201.000.800.600.400.500.400.300.20Deformación Máxima, mm• ∆T: 0ºC.• k: 150 MPa/m.0.200.10• Eje Simple: 100 KN 0.000 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75Distancia al Borde, m0.00INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

Influencia de la transferencia de Carga21Carga 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.• k: 150 MPa/m.• Eje Simple: 100 KNEn Esquina sin sob y con pas - Dzmax: 0,350 mm (260%)INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

Influencia de la transferencia de Carga22Carga 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.• k: 150 MPa/m.• Eje Simple: 100 KNEn Esquina con sob y con pas - Dzmax: 0,216 mm (160%)INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

23Método de la Portland Cement Association• Procedimiento Empírico- Mecanicista basado enrespuestas de pavimentos matemáticamentecalculadas.• Calibrado con Ensayos de campo y rutas enservicio.• Lanzado originalmente en 1966 y revisado en 1984.• Limita las tensiones desarrolladas en el Pavimento (Criterio deverificación por fatiga). Limitante para bajo tránsito pesado.• Limita las deflexiones desarrolladas en bordes y esquinas (Criterio deverificación por erosión). Limitante para elevado tránsito pesado.• Recientemente el ACPA ha lanzado una nueva versión para vías de BajoVolumen de Tránsito Pesado (ACPA StreetPave).INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

24Ubicación Crítica de CargasJunta transversalJunta transversalEjeTándemCarrilEjeTándemCarrilBanquina de Hormigón(si existe)Banquina de Hormigón(si existe)Posición crítica de la carga paralas DeformacionesPosición crítica de la carga paralas Tensiones de FlexiónINSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

25Factores 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 incorporarel valor medio o másprobableINSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

26Limitaciones• En el análisis por fatiga, no incorpora el efecto de las tensionesgeneradas por alabeo.– Considera que los efectos del alabeo diurno y nocturno seautocompensan.• No considera en forma directa la erosionabilidad de la subbase.– Lo hace en forma indirecta, mediante el incremento de la rigidez delapoyo.• No tiene en consideración la incidencia del clima y del drenaje de laestructura.– El método sugiere incrementar o reducir el daño por erosión del100% en función de la experiencia en la utilización del método enuna región determinada.INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

METODO AASHTO 1993AASHO Road Test (1958-1960)27• Tercer ensayo a gran escala enpavimentos.• Se evaluaron secciones depavimento rígido y flexible.• Se evaluaron distintasconfiguraciones de carga,espesores de calzada y subbase.• Se estudiaron secciones depavimentos de hormigón simple yreforzado.• Objetivo central: desarrollarrelaciones entre cargas de tránsitopesado aplicadas, estructura delpavimento y pérdida deServiciabilidad.INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

28METODO AASHTO 1993Factores 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 ( E c )• Módulo de reacción de la subrasante (k, LOS)• Coeficiente de drenaje (C d )• Confiabilidad (R, Z R ).• Desvío Global (s o ).Siempre incorporarel valor medio o másprobableINSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

LIMITACIONES DEL MÉTODO AASHTOACTUAL29Una zona climática / 2 añosUn tipo de subrasanteLimitadas repeticiones de cargaLimitadasseccionesde estudioINSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

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.30INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

Datos DatosSuelos Suelos Materiales Tránsito Clima Clima31Diseño Diseño a Evaluar EvaluarConfiabilidadRespuestas Estructurales (σ, (σ, ε, ε, δ) δ)Modelos de de Predicción de de comportamientoFallas Fallas RugosidadCumple CumpleRequisitode de Diseño?REVISAR DISEÑONOVerificación del del ComportamientoCriterio Criterio de de falla fallaSIDiseño Diseño Final FinalINSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSºVERIFICACIÓN32El diseño propuesto será verificado con el criterio de verificación para cadatipo de falla.Fisuración(Máximo permitido)De 10% a 45%Escalonamiento(Máximo permitido)De 2,5mm a 5,0mmRugosidad(Máximo permitido)De 2,5 m/km a 4,0m/kmINSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

33ANALISIS DE DETERIOROS¿ Como Reducir el Potencial deFisuración a Fatiga?• Incrementar el Espesor de la Losa.• Reducir la Separación entreJuntas.• Efectuar un Sobreancho deCalzada.• Emplear Banquina RígidaVinculada.• Incrementar la Resistencia delHormigón.• Usar una Base Tratada(incremento de k)¿ Como Reducir el Potencialde Erosión y Escalonamiento?• Emplear Pasadores en JuntasTransversales.• Proveer una Base MenosErosionable.• Efectuar un Sobreancho deCalzada.• Emplear Banquina RígidaVinculada.• Proveer Drenaje Subsuperficial.INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

34ACPA StreetPave• 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• 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.INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

35MODELO DE FATIGA (PCA)INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

36MODELO DE FATIGA (ACPA)Numero de aplicaciones admisibles, Log N1412108642log( Nf )=⎡⎢⎣−−10.24SR ⋅log0.0112( S )⎥ ⎦⎤0.217PCAS = 95%S = 90%S = 80%S = 70%S = 60%S = 50%00.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Relación de TensionesINSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

37FACTORES 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 / trabazónentre agregados).• Transferencia de carga en bordes (Tipo de banquina / sobreanchos decalzada).• Confiabilidad.• Porcentaje de Losas Fisuradas.INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

PORCENTAJE DE LOSAS FISURADAS38Efecto combinado del Porcentaje de losas fisuradas con la confiabilidad.ClasificaciónConfiabilidadLosas FisuradasLosas fisuradas(valor probable)Residencial Liviano75 %15 %7,5 %Residencial80 %15 %6 %Colectoras85 %10 %3 %Arteria Menor90 %10 %2 %Arteria Principal95 %5%0,5 %ValorProbable = (100% − Confiabilidad) ⋅ Losas Fisuradas / 50%S =−( 1−R)⋅ P0.51LFINSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

39VERSIÓN ON-LINECaracterísticasAnálisis de un Pavimento de Hormigón ExistenteCálculo de la erosión total en el período de diseñoCálculo de la fatiga total en el período de diseñoCálculo de la vida teórica del pavimentoDiseño de Pavimento de Hormigón Nuevo:Recomendaciones para el diseño de espesoresRecomendaciones para la selección de pasadoresRecomendaciones para una selección adecuada de juntas:Tablas con el detalle de los consumos de Fatiga y ErosiónConsideraciones sobre espesores y la confiabilidadAnálisis de sensibilidadAnálisis del ciclo de vidaImpresión en PDF de informe finalDiseño de Pavimentos Flexibles:Recomendaciones para el diseño de pav. Flex. equivalentesVersiónon-lineVersión Windowshttp://www.pavement.com/StreetPave/Default.aspxINSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO

40GRACIASING. DIEGO H. CALODIVISIÓN PROYECTOS Y DESARROLLOdcalo@icpa.com.arINSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO