Seminario Internacional
Tecnología e Innovación en 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 44820 EE.UU. Nº 7.751.581 PCT/EP2006/064732 Peru solicitud Nº1118-2006 Patente y Patente Pendiente en 84 Países
Posición de Las Cargas y Dimensión de las Losas Diseño AASHTO
Diseño 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 Relación Tensión vs Tamaño de losa con Carga Patrón
Tension Kg/cm2
30 25 20 15
Sigma Principal Superior
10 5
50
150
250 Largo losa (cm)
350
450
Resumen Espesor para Tráficos Equivalentes (15.000.000 EE) Tamaño Losa Vs Espesor 30 cm
25 cm
Espesor
20 cm
15 cm
10 cm
5 cm
cm Espesor
450x350
350x300
240x175
180x175
140x175
25 cm
23 cm
14 cm
16 cm
13 cm
•*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 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%
Se considera como vida útil un daño de 30% de losas Agrietadas * 0% losas agrietadas
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
Espeso CBR r
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. 2.
3.
Diseñar las dimensiones de la losa tal que, solo un set de rueda de los vehículos cargue una losa a la vez. Calcular las tensiones generadas en el concreto para diferentes condiciones (alabeo, espesor, Carga Trafico, Tipo de eje, etc.). 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
Log ( N )
C3 * 2*( ) MOR * C1 * C2
1.22
Diseño TCP® 4. 5.
Suma el daño por fatiga generado en cada punto de control (ley de Miner) 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
Section 3 – (South) 9 cm PCC & FRC LOAD TRANSFER EFFICIENCY Section 3 - LTE 160 140
22 kN
Efficiency (%)
120
40 kN
100
53 kN
80
Joint 51
60
Joint 58
40 20 0 0
5000
10000
Passes
15000
Transferencia de Carga Section 2 (South) S ec tion 2 - L T E 120 40kN
67kN
89kN
111kN
156kN
E ffic ienc y (% )
100 80 J oint 29
60
J oint 30 J oint 36
40
J oint 37
20 0 0
5000
10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
P as s es
Transferencia de carga Section 15 & 20 cm (North) 111kN 40kN
67kN
80kN
93kN
156kN 120kN
Serviciabilidad Pavimentos Guatemala
Mediciones con perfilómetro laser, a 100km/h, con fotos c/10m y medición automática de escalonamiento
IRI
Escalonamiento
Escalonamiento Proyectos Guatemala En Guatemala existen pavimentos de 4 años con cargas pesadas, sin señal de escalonamiento. Construction year Amtitlan-Palin 2006 San Cristoabl San Lucas 2006 Project
San Lucas Milpas Tecpan los Encuentros *
Using high speed profiling
Proyect Design ESALS up Thickness length ESALS to date 7 km 20 110.000.000 22.000.000 12 km 17 35.000.000 8.235.294
2007 6 km 2009 35 km
17 18
17.000.000 20.000.000
3.000.000 1.111.111
Initial IRI IRI 2010 Faulting* (m/km) (m/km) (mm) 1,76 2,01 <2 2,1 2,34 <2 2,15
2,07 1,72
<2 <2
Optipave
KSEM ( Kc Sistema Estructural Multicapa)
0
k
q/
2
2 0.79 q 0,381 1 En
En Ê
1
1
h1
h2
... hn 1 a
2
2
Ê En
1 3
En Ê
2
0.0167087 E n
k
1 1
2
1
h1
h2
En Ê
... hn 38.1
2 1
2
Ê En
1 3
2
En Ê
h1 Ê
E1
h2 3
E2 E1
h3 3
E3 E1
n 1
hi i 1
... hn
13
En 1 E1
3
Revisión tensiones Maxima Subrasante
Concrete ATB CTB Granular Base
σz Subgrade
distancia en el borde cm
175,01
165,29
155,57
145,84
136,12
126,40
116,67
106,95
97,23
87,51
77,78
68,06
58,34
48,61
38,89
29,17
19,44
9,72
0,00
esfuerzos kg/cm^2
Distribución de cargas
Tensiones verticales, losa aislada
2,5
3
1,5
2
1
0,5 0
TRANSFERENCIAS DE CARGAS 50%
Comparacion de Gradientes Termicos en Pavimentos Rigidos,
CALIFORNI A
Gradiente Térmico en Losas • Ciudad Representativa: Santiago • Tipo de Clima: Templado Cálido Con Lluvias Invernales CANTIDAD DE HORAS ANUALES
2500 2000 1500 SANTIAGO 1000
FRESNO
SAN DIEGO 500 0 -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
GRADIENTE TERMICO (⁰C/cm)
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
Gradiente Térmico en Losas • Ciudad Representativa: Rancagua • Tipo de Clima: Templado Frio Con Lluvias Invernales CANTIDAD DE HORAS ANUALES
1800 1600 1400 1200 1000 800
RANCAGUA
600
SACRAMENTO
400 200 0 -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
GRADIENTE TERMICO (⁰C/cm)
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
Gradiente Térmico en Losas • Ciudad Representativa: Angol • Tipo de Clima: Templado Cálido Lluvioso Con Influencia Mediterránea CANTIDAD DE HORAS ANUALES
3500 3000 2500 2000 ANGOL
1500
LOS ANGELES
1000
SAN FRANCISCO
500 0 -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
GRADIENTE TERMICO (⁰C/cm)
1
1,1
1,2
•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 •Considerar resistencia a flexión efectiva MOR*
• Ensayo Carga deformación. Norma ASTM 1609 -07
MOR*= Resistencia a flexión efectiva
MOR = Resistencia a flexión [MPa]
Ensayo de Carga- Deformación Fibras 1,5 Kg/m3
Fibras 3 Kg/m3
4.0
Fibras 5 Kg/m3 3.0 2.0
Curvas de dosis de fibra a utilizar para comportamiento requerido. Curvas dependen de Dosificación, Resistencia y edad de hormigón.
1.0 0.0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Deformación (mm)
Ensayo Carga- Deformación norma ASTM 1609-07
60%
Radio Resistencia Residual (%)
Resistencia a flexión (MPa)
Resultados de ensayos para diferentes tipos de fibras y dosis.
S/ Fibras
5.0
50% 40% 30%
Barchipmacro Masterfiber 50PS
20%
Baxi-Fiber P400 10%
Fibermesh650 RXF 54
0% 0
1
2
3
Dosis de Fibra (Kg/m3)
4
5
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 Caminos rurales Carreteras
8 – 12 cm. 12 – 15 cm. >15 cm
Proyectos Construidos Costo Proyecto original Costo Proyecto TCP Proyecto
% Ahorro
Ahorro 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 $
*Estimacion Ahorro por uso Tecnologia TCP
112.612.500
US $
92.950.000
17% US $ 19.662.500
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 29.9 Kg/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
Salinas y Fabres 2008 Chile
•50.000 EE •8 cm •30% Ahorros ( Adocretos)
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
