JORNADAS DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS DE HORMIGÓN
DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS
Ing. Diego H. Calo
20 y 21 de Marzo de 2012
DNV Distrito VI - San Salvador de Jujuy
ÍNDICE DE LA PRESENTACIÓN
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
2
3
Componentes Principales del Sistema
Espesor
Junta Longitudinal
Junta Transversal
Calzada de Hormigón
Barras de Unión
Pasadores
Subrasante
Subbase o base
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
4
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Fisuración Longitudinal / Transversal
Descripción: 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).
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
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
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
6
Tensiones en Pavimentos Rígidos
K: 100 MPa/m
Datos:
• Espesor: 25 cm.
• Largo: 4,50 m.
• Ancho: 3,65 m.
• ∆T: 0ºC.
• Eje simple 100 kN
K: 50 MPa/m
K: 150 MPa/m
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
Influencia de la Rigidez de apoyo en
las tensiones generadas
Caso 1: Fundación Perfectamente Rígida
Esubbase = ∞
Esubbase = ∞
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.
Caso 2: Fundación Muy Flexible
Esubbase = 0
Debido a la falta de soporte la losa deflecta
significativamente y se generan elevadas
tensiones de flexión.
Esubbase = 0
Durante una carga medioambiental, la fundación
acompaña la deformación de la losa
manteniendo su soporte.
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7
8
Tensiones en Pavimentos Rígidos
K: 100 MPa/m
Datos:
• Espesor: 25 cm.
• Largo: 4,50 m.
• Ancho: 3,65 m.
• ∆T: 10ºC.
• E: 35 GPa.
K: 50 MPa/m
K: 150 MPa/m
• CET: 1,10 10-5 1/ºC
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9
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
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.
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10
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
Carga
Losa posterior
Losa anterior
Agua
Base / Subbase
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11
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
Carga
Losa anterior
Losa posterior
Base / Subbase
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12
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
Carga
Losa anterior
Losa posterior
Base / Subbase
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
13
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
Carga
Losa anterior
Losa posterior
Base / Subbase
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14
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
Carga
Escalonamiento
Losa posterior
Losa anterior
Base / Subrasante
Acumulación de finos
Erosión de material
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FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
15
Erosión por Bombeo y Escalonamiento
1ER ETAPA
Junta
Longitud.
Juntas Transversales
Tránsito
Banq. Externa
Escalonamiento Inicial
2DA ETAPA
Incremento del
escalonamiento
Banq.
Externa
Eyección de Finos
3ER ETAPA
Fisuración
Transversal
Banq.
Externa
Eyección de Finos
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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 cargas
pesadas (camiones) capaces de
generar deflexiones importantes en
juntas y bordes de la calzada de
hormigón.
– Disponibilidad de agua en la interfase
losa – subbase – banquina.
– Una subrasante compuesta por
suelos finos o capaces de entrar en
suspensión.
Tránsito
Pesado
E
Agua Disponible
Material Fino
ó Erosionable
Cuando en un pavimento determinado se prevea la eventual coexistencia de estos factores
el EMPLEO DE UNA SUBBASE NO EROSIONABLE ES DE CARÁCTER OBLIGATORIO.
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16
17
Subbases granulares
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.
Si el material cuenta con excesivos
contenidos de finos, la capa puede
almacenar agua encontrándose disponible
para la erosión por bombeo
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.
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18
Subbases tratadas con cemento
Características (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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19
Subbases de Hormigón Pobre
Requisitos:
• 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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20
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 KN
Carga Interna - Dzmax: 0,144 mm (100%)
Carga en Junta - Dzmax: 0,389 mm (270%)
Carga en Borde - Dzmax: 0,26 mm (180%)
Carga en Esquina - Dzmax: 0,646 mm (450%)
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21
TRANSFERENCIA DE CARGA
Es la capacidad de una losa de transferir su carga a una losa vecina
D2 = X/2
D1 = X/2
D1 = x
D2 = 0
Mala Transferencia de Carga
• Trabazón entre agregados
• Pasadores
• Banquina de hormigón
– Banquina Vinculada
– Cordón Cuneta
– Sobreancho de Carril
Buena Transferencia de Carga
Tienen un
efecto similar
Con cordón integral,
si el cordón se ejecuta en una
segunda etapa, no hay
contribución estructural
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22
Transferencia de Carga en Juntas Transversales
Trabazón entre agregados por
debajo del aserrado primario
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Transferencia de Carga en Bordes de
Calzada
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23
24
Sobreancho de Calzada
1.80
0.70
Tensiones - Carga en Borde
• Espesor: 25 cm.
• Largo: 4,50 m.
• Ancho: 4,25 m.
Deformaciones - Carga en Esquina
0.60
1.40
0.50
1.20
0.40
1.00
0.80
0.30
0.60
0.20
0.40
• ∆T: 0ºC.
0.10
• CET: 1,10 10-5 1/ºC
• k: 150 MPa/m.
• Eje Simple: 100 KN
0.20
0.00
0.00
0
0.15
0.3
0.45
Distancia al Borde, m
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0.6
0.75
Deformación Máxima, mm
Datos:
Tensiones Máximas (Fondo de Losa), MPa
1.60
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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26
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 Cement
Association
27
• 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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28
Ubicación Crítica de Cargas
Junta transversal
Junta transversal
Carril
Eje
Tándem
Banquina de Hormigón
(si existe)
Posición crítica de la carga para
las Deformaciones
Carril
Eje
Tándem
Banquina de Hormigón
(si existe)
Posición crítica de la carga para
las Tensiones de Flexión
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29
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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30
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 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 sus
modificaciones
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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Ecuación de Diseño de Pavimentos de
Hormigón 1986-93
Cambio de Serviciabilidad
Variable Z (Conf:R)
PSI
∆
Espesor
Log
4.5 - 1.5
Log(W18) =Z R *s o +7.35 *Log(D +1) -0.06 +
1.624 *10 7
1 +
8 . 46
Módulo de
(D + 1)
Rotura
Desvío Estándar
Global
Coeficiente
de drenaje
0.75
S' c * C d * D
− 1.132
+ (4.22 - 0.32pt ) *Log
0.75
18.42
215.63*J *D
0.25
(E c /k)
Serviciabilidad
Final
[
Transferencia
de Carga
]
Módulo de
elasticidad
Modulo de
reacción
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34
METODO AASHTO 1993
Factores 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 ( Ec)
Módulo de reacción de la subrasante (k, LOS)
Coeficiente de drenaje (Cd)
Confiabilidad (R, ZR).
Siempre incorporar
Desvío Global (so).
el valor medio o más
probable
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35
Transferencia de Carga - Efecto de pasadores y
Banquina de Hormigón
• La transferencia de carga en las juntas y bordes de calzada se tiene en
cuenta mediante el Factor de Transferencia de Carga, J.
• Depende del tipo de pavimento, de las condiciones de soporte de
bordes y de la transferencia de carga en juntas.
Soporte de Borde
ESAL´s [Millones]
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
1a3
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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36
Propiedades de la Subrasante
/Subbase
Propiedades de la subrasante y Subbase asociadas al
diseño son:
• Módulo resiliente
subrasante (Mr)
• Tipo de Subbase (E)
• Espesor de Subbase
Pérdida de
Soporte
Módulo de reacción Combinado (kc)
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37
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 repeticiones de carga
Limitadas
secciones
de estudio
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38
39
MEPDG
CLAVES QUE POSIBILITARON EL CAMBIO
• Los
fundamentos
técnicos
desarrollados en las últimas 3 décadas
a
través
de
las
distintas
investigaciones llevadas a cabo en
pavimento permitieron el desarrollo de
un procedimiento de base mecanicista.
• La disponibilidad de información
relativa a performance a largo plazo
recabada en pavimentos en servicio
(LTPP) que permitió la calibración y
validación de dichos modelos.
• La velocidad de los procesadores
actuales
y
la
capacidad
de
almacenamiento de las computadoras
modernas.
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Suelos
Datos
Materiales
Tránsito
40
Clima
REVISAR DISEÑO
Diseño a Evaluar
Respuestas Estructurales (σ, ε, δ)
Modelos de Predicción de comportamiento
Fallas
Rugosidad
Cumple
Requisito
de Diseño?
Confiabilidad
Verificación del Comportamiento
Criterio de falla
SI
Diseño Final
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NO
41
EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº
FISURACIÓN POR FATIGA
CARGA SOBRE BORDE
EXTERNO Y ALABEO
CONVEXO
(situación diurna).
Tensiones
Críticas
CARGA SOBRE JUNTAS Y
ALABEO CÓNCAVO (Situación
Nocturna)
Tensiones
Críticas
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EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº
ESCALONAMIENTOS 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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42
43
EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº
RUGOSIDAD
No existe un modelo de deterioro que prediga la evolución de la rugosidad
Se determina a partir de:
• IRI inicial de construcción
• Evolución de deterioros (fisuración, escalonamiento, etc)
• Condiciones climáticas.
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EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº
VERIFICACIÓN
44
El diseño propuesto será verificado con el criterio de verificación para cada tipo de
falla.
Fisuración
Escalonamiento
Rugosidad
(Máximo permitido)
De 10% a 45%
(Máximo permitido)
De 2,5mm a 5,0mm
(Máximo permitido)
De 2,5 m/km a 4,0m/km
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MEPDG - SOFTWARE
45
• 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 de
vehículo
• Distribución de cargas para cada tipo de vehículo y
tipo de eje.
• Ubicación respecto a la línea demarcatoria (Media,
So), Ancho de carril, Configuración de ejes para cada
categoría, distancias típicas entre ejes y ruedas,
presión de inflado, etc.
• Selección de estación climática.
• Espesor de calzada, separación de juntas, tipo de
sellado, configuración de pasadores, tipo de
Banquinas, ancho de losa, características físicas y
mecánicas, etc.
• Tipo de Base, Características mecánicas, Resistencia
a la erosión.
• Características físicas y mecánicas de las capas
restantes y subrasante.
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46
MEPDG - SOFTWARE
Predicted Cracking
100
Percent slabs cracked
Cracked at specified reliability
Limit percent slabs cracked
90
80
Percent slabs cracked, %
70
60
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Pavement age, years
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
22
24
26
47
¿QUE FACTORES PUEDEN ANALIZARSE?
COEFICIENTE DE DILATACIÓN TÉRMICA
70
CTE = 13 x 10-6 1/ºC
60
Losas Fisuradas, %
CTE = 12 x 10-6 1/ºC
50
CTE = 11 x 10-6 1/ºC
CTE = 10 x 10-6 1/ºC
40
CTE = 9 x 10-6 1/ºC
30
20
10
0
0
5
10
15
Edad, años
20
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
25
48
SEPARACIÓN DE JUNTAS TRANSVERSALES
Losas Fisuradas, %
100
90
S = 5,50 m
80
S = 5,25 m
70
S = 5,00 m
60
S = 4,75 m
S = 4,50 m
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
Edad, años
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
25
49
MÓDULO DE ELASTICIDAD DEL HORMIGÓN
70
E = 38 GPa
Losas Fisuradas, %
60
E = 36 GPa
E = 34 GPa
50
E = 32 GPa
40
E = 30 GPa
30
20
10
0
0
5
10
15
Edad, años
20
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
25
50
TRANSFERENCIA DE CARGA
DIÁMETRO DE PASADORES
7
Sin Pasadores
Escalonamiento, mm
6
Pasadores 25 mm
Pasadores 32 mm
5
Pasadores 38 mm
Pasadores 32 mm c-sob
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
Edad, años
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25
51
TRANSFERENCIA DE CARGA EN BORDES Y JUNTAS
7
Sin Pasadores
6
Sin Pasadores c-Sob
Escalonamiento, mm
Pasadores 32 mm
5
Pasadores 32 mm c-sob
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
Edad, años
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
25
52
ACPA StreetPave
• Método de diseño de pavimentos
de hormigón basado en el método
de
la
Portland
Cement
Association (1984).
• Se
había
desarrollado
originalmente como un nuevo
software bajo Windows que
reemplazara el PCAPAV
• Se recomienda aplicarlo para el diseño de arterias con bajos volúmenes de
tránsito pesado.
• Se consideró que algunos aspectos del método anterior llevaban a
soluciones muy conservadoras, por lo cuál fue extensivamente revisado.
• Se conservaron ambos criterios de verificación, aunque eliminando aquellos
factores que se consideró que generaban un sobre-dimensionamiento.
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
53
MODELO DE FATIGA (PCA)
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54
MODELO DE FATIGA (ACPA)
Numero de aplicaciones admisibles, Log N
14
− SR −10.24 ⋅ log(S )
log( Nf ) =
0
.
0112
12
10
PCA
0.217
S = 95%
S = 90%
S = 80%
S = 70%
S = 60%
8
S = 50%
6
4
2
0
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Relación de Tensiones
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0.9
1
55
FACTORES 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 / trabazón
entre agregados).
• Transferencia de carga en bordes (Tipo de banquina / sobreanchos de
calzada).
• Confiabilidad.
• Porcentaje de Losas Fisuradas.
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56
PORCENTAJE DE LOSAS
FISURADAS
Efecto combinado del Porcentaje de losas fisuradas con la confiabilidad.
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 %
Clasificación
Valor Probable = (100% − Confiabilidad) ⋅ Losas Fisuradas / 50%
(
1 − R ) ⋅ PLF
S = 1−
0.5
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Ejemplo (ACPA StreetPave)
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67
GRACIAS
ING. DIEGO H. CALO
COORDINADOR
DEPARTAMENTO TÉCNICO DE PAVIMENTOS
[email protected]
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