UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD ANDINA NÉSTOR NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZ MAESTRIA EN INGENIERIA CIVIL MENCION GEOTECNIA Y TRANSPORTRES
PAVIMENTO RIGIDO
DOCENTE: ING: ALFREDO, ALARCON ATAHUACHI
PAVIMENTOS RÍGIDOS Los p a viment vimento o s d e c o ncr nc reto rec rec ib en el apela ap elati tivo vo de d e “ri “rigidos gido s” deb de b id o a la natura natura leza eza d e la losa osa de c onc reto que q ue la la c onsti onstitu tuy ye. Debido a su naturaleza rígida, la losa absorbe casi la totalidad de los esfu esfuer erz zos prod producidos ucidos por po r la s rep repeti etic c iones de la s c a rgas ga s de d e trá nsi nsito, proyec proyectta ndo en menor menor intens ntensiida d los los esfu esfuer erz zos a la la s c a pa s infer nferiiores ores y finalmente a la subrasante.
Exis xisten tres tiposde pos de pavim paviment entos de c onc onc reto: eto: · Pavi Pa viment mentos os de c onc reto si simple mple c on jun juntas tas · Pavi Pa viment mentos os de c onc reto refor reforz za do c on jun juntta s · Pavi Pa viment mentos os d e c onc reto c ontinu ontinua a mente mente refor reforz za dos do s Los pav pa vimentos entos de c oncr onc reto eto c on ju junta nta s son los los que mejor mejor se apl a pliic a n a la real ea lidad da d nac na c ional debi deb ido a su buen buen desempeño desempeño y a los peri periodos od os de diseño que usualmente se emplean.
14.1 MET METODOLOGÍA DE DISE ISEÑO 14.1 .1.1 .1ME MET TODOLOGÍA DE DISE ISEÑO AAS AASHTO 93 El métod método o A A SHTO 93 est estima que pa ra una una c onst onstrucc uc c ión nueva nueva el pav pa vimento ento c omienz omienza a a dar da r ser serv vic io a un niv nivel a lto. A medida que transcurre el tiempo, y con él las repeticiones de carga de tránsito, el nivel nivel de servi ervic c io ba b a ja . El método impone un nivel de servicio final que se debe mantener al c oncl onc luir el peri periodo od o de dis diseño.
I. Peri eriodo odo de Diseño eño El Periodo de Diseño a ser empleado para el presente manual de d iseño pa p a ra pa p a viment vimento o s rígido será erá míni mínimo mo de d e 20 20 a ños. ños. El Ingeni nge nier ero o de de diseño de pavimentos puede ajustar el periodo de diseño según las c ondic ondic iones espec espec ífic a s del proy proyec ec to y lo requer requeriido por po r la Entida d.
II. II. Vari Variables · El El tránsit nsito o (ES (ESALs) El peri periodo od o est esta ligado ga do a la c a nti ntidad da d de trá nsi nsito a soc ia da en ese ese peri periodo para para el c arr arril de dis diseño. eño. El peri periodo de dis diseño eño mínimo rec omenda omenda do es de 20 20 a ños. ños. Una característica propia del método AASHTO 93 es la simplificación del de l efect efec to del d el trá nsi nsito int intrroducien od uciendo do el c oncep onc eptto de ej e jes quival quivalent entes es..
Para el caso del tráfico y del diseño de pavimentos rígidos, en este manual, se definen tres categorías: a) C aminos de bajo volumen de tránsito, de 150,001 hasta 1’000,000 EE, en el carril y periodo de diseño.
b) Caminos que tienen un transito, de 1’000,001 EE hasta 30’000,000 EE, en el carril y periodo de diseño.
c) Caminos que tienen un transito mayor a 30’000,000 EE, en el carril y periodo de diseño. Esta categoría de caminos, no está incluida en el presente manual, el diseño de pavimentos será materia de Estudio Especial por el Ingeniero Proyectista.
Serviciabilidad Este pa rámetro sintetiza el criterio de diseño AASHTO: Servicio, o serviciabilidad. La serviciabilidad se define como la capacidad del pavimento de servir al tránsito que circula por la vía, y se magnifica en una escala de 0 a 5, donde 0 significa una calificación de intransitable y 5 una calificación de excelente que es un valor idea l que en la prác tica no se da.
El índice de serviciabilidad de un pavimento es un valor de a preciac ión con el cual se evalúan las condiciones de deterioro o confort de la superfic ie de rodadura de un pavimento.
· La confiabilidad “R”y la desviación estándar(So) El concepto de confiabilidad ha sido incorporado con el propósito de cuantificar la variabilida d propia de los materiales, proc esos constructivos y de supervisión que hac en que pavimentos construidos de la “misma forma” presenten comportamientos de deterioro diferentes. La confiabilidad es en cierta manera un factor de seguridad, que equivale a incrementar en una proporción el tránsito previsto a lo largo del periodo de diseño, siguiendo conceptos estadísticos que consideran una distribuc ión normal de las variables involucradas. El rango típico sugerido por al AASHTO esta comprendido entre 0.3 a 0.40, en le presente manual se rec omienda
So=0.35.
· El suelo y el efecto de lascapasde apoyo (Kc) El pa rámetro que caracteriza al tipo de subrasante es el módulo de reacción de la subrasante (K). Adicionalmente se contempla una mejora en el nivel de soporte de la subrasante c on la coloc ación de capas intermedias granulares o tratadas, efecto que mejora las condiciones de apoyo y puede llegar a reducir el espesor calculado de concreto. Esta mejora se introduce con el módulo de reacción combinado (Kc). El ensayo pa ra determinar el módulo de reacción de la subrasante, llamado también ensayo de plac a, tiene por objetivo determinar la presión que se debe ejercer para lograr una cierta deformación, que pa ra este c aso es de 13 mm.
Se considerarán como materiales aptos para las capas de la subrasante suelos con C BR igual o mayor de 6%. En caso de ser menor (subrasante pobre o subrasante inadec uada), se proc ederá a la estabilización de los suelos, pa ra lo cual se analizarán alternativas de solución, c omo la estabilización mecánica, el reemplazo del suelo de cimentación, estabilización química de suelos, estabilización con geosintéticos u otros productos aprobados por el MTC , elevación de la rasante, cambiar el trazo vial, eligiéndose la mas conveniente téc nic a y económica . La presencia de la sub base granular o base granular, de calidad superior a la subrasante, permite aumentar el coeficiente de reacción de diseño, en tal sentido se aplicará la siguiente ecuac ión:
· Resistencia a flexotracción del concreto (MR) Debido a que los pavimentos de concreto trabajan principalmente a flexión es que se introduce este parámetro en la ecuación AASHTO 93. El módulo de rotura (MR) esta normalizado por ASTM C – 78. En el ensayo el c oncreto es muestreado en vigas. A los 28 días las vigas deberán ser ensayada s aplicando carga s en los tercios, y forzando la falla en el tercio central de la viga.
· Módulo elástico del concreto El módulo de elasticidad del concreto es un parámetro particularmente importante para el dimensionamiento de estructuras de c oncreto armado. La predicción del mismo se puede efectuar a partir de la resistencia a compresión o flexotracción, a través de correlaciones establecida s. AASHTO’93 indica que el modulo elastico puede ser estimado usando una correlación, precisando la correlación recomendada porelACI:
E=57,000x( f’c)0.5; (f’c en
PSI)
El ensayo ASTM C – 469 c alcula el módulo de elasticida d del concreto · Drenaje (Cd) La presencia de agua o humedad en la estructura del pavimento trae c onsigo los siguientes problemas:
Pasos para el cálculo del Cd 1. Se determina la calidad del material como drenaje en función de sus dimensiones, granulometría, y características de permeabilidad.
Si el material después de ser saturado c on agua cumple con uno de los requisitos del C uadro 14.8, se puede considerar como un drenaje excelente, bueno, regular, pobre o muy pobre. 2. Una vez caracterizado el material y su calidad de drenaje, se calcula el Cd correlacionándolo con el grado de exposición de la estructura a niveles de humedad próximos a la saturación, utilizando pa ra ello el C uadro 14.9.
· Transferencia de cargas (J) Es un parámetro empleado para el diseño de pavimentos de concreto que expresa la ca pac idad de la estructura como transmisora de carga s entre juntas y fisuras. Sus valores dependen del tipo de pavimento de concreto a construir, la existenc ia o no de berma lateral y su tipo, la existenc ia o no de dispositivos de transmisión de cargas. El valor de J es direc tamente proporcional al valor final del espesor de losa de concreto. Es dec ir, a menor valor de J , menor espesor de concreto.
14.2 SECCIONES DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO RÍGIDO En función a los parámetros requeridos por AASHTO y espec ificados en los cuadros anteriores, se han determinado los espesores de losa requeridos, pa ra cada rango de tráfico expresado en ejes equivalentes (EE) y rango de tipo de suelos, según se presenta en las figuras 14.2, 14.3, 14.4 y 14.5 y en las Figuras 14.2a y 14.2b, 14.3a y 14.3b, 14.4a y 14.5a se presentan ilustrativamente y referencialmente, catálogos de estructuras de pavimentos rígidos, que no sustituyen al diseño que deberá rea lizar el Ingeniero Responsable del Diseño. Para determinar las sec ciones de estructuras de pavimento rígido, se consideraron como espesor mínimo de losa de concreto 150 mm y espesor de subbase granular 150 mm.
14.3 JUNTASLONGITUDINALESY JUNTASTRANSVERSALES El objetivo de las juntas es controlar la fisuración y agrietamiento que sufre la losa del pavimento debido a la contracción propia del concreto por pérdida de humedad, así como a las variac iones de temperatura que sufre la losa por su exposición al medioambiente, yel gradiente de temperatura existente desde la superficie hasta la subbase. Las juntas tienen las siguientes funciones: · Controlar el agrietamiento transversal y longitudinal · Dividir el pavimento en secciones adecuadas para el proceso constructivo y acordes con las direc ciones de tránsito · Permitir el movimiento y alabeo de las losas · Proveer la c aja pa ra el material de sello · Permitir la transferenc ia de c arga entre las losas Los diferentes tipos de juntas pueden a gruparse en: · J untas longitudinales · J untas transversales
Tiposde juntas Los tipos de juntas en los pa vimentos de conc reto son los siguientes:
14.3.1 JUNTASLONGITUDINALES Las J untas longitudinales de contrac ción, dividen los carriles de tránsito y controlan el agrietamiento y fisuración c uando se construyen en simultáneo dos o más carriles. En ese caso, se logran mediante el corte a la tercera parte del espesor de la losa de concreto, con un disco de 3 mm. La transferenc ia de carga en las juntas longitudinales se logra mediante la traba zón de los agregados, y se mantiene c on el empleo de barras de amarre, que son de acero y corrugada s. · J unta longitudinal de construcción, se constituyen de acuerdo al encofrado utilizado o a las pasada s de la pavimentadora de encofrado deslizante. La transferencia de carga se puede lograr mediante el empleo de juntas tipo llave o machihembradas. No se recomienda el empleo de juntas tipo llave en pavimentos con espesores de losa menores a 25 cm. Las juntas tipo llave requieren necesariamente el empleo de barras de amarre para asegurar que los carriles permanezcan lo suficientemente juntos para que la llave funcione.
14.3.2 JUNTASTRANSVERSALES · J untas transversales de
contracción, se
construyen transversalmente a la línea central del pavimento y están espac iada s para controlar la fisurac ión y el agrietamiento provoc ado por la retrac ción del concreto, y por los cambios de humeda d y temperatura. De ser posible se harán coincidir las juntas transversales de c ontracción con las de construcción.
El espaciamiento recomendado entre juntas no debe exceder los 4.50metros. Se realizan cortando el concreto hasta la tercera parte del espesor de la losa, con un disco de corte de 3 mm, que logra la abertura suficiente para induc ir la fisura. La transferenc ia de c arga se puede da r mediante la trabazón de los agregados o mediante el empleo de pasadores.
EJERCICIO 01 Efectuar el diseño de un pavimento rígido, con las siguientes da tos de entrada : C BR de la subrasante = 15% EE =8 483 258 Lugar =C iudad de Puno f’c =245 Kg/ cm2
Memoria de calculo Proyecto
:
Lugar
:
CBR
15
W8.2
Nº de Repeticiones ESAL
ZR
Desviacion Estandar Normal
So
Desviacion Estandar Conbinada
0.35
Pi
Serviciabilidad Inicial
4.3
Pt
Serviciabilidad Final
2.5
PSI
Diferencia de Serviciabilidad
1.80
Mr
Resistencia media del Concreto
Cd
Coeficiente de Drenaje
0.95
J
Coeficiente de Transmision de Cargas
3.20
Ec
Modulo de Elasticidad del Concreto
K
Modulo de Reaccion del Suelo
D
Espesor de Pavimento
%
8483258.00 -1.282
245
4.98
Mpa
6151.44
Mpa
65
Mpa
209
mm
∆PSI Log 10 0.75 Mr * Cd * 0 . 09 * D 1 . 132 ( ) − 4 . 5 1 . 5 − Log 10 (W 8.2) = ZR * So + 7.35 * Log 10 ( D + 25.4) − 10.39 + ( 4 . 22 0 . 32 * Pt ) * Log * + − 10 1.25 x1019 1+ ( D + 25.4) 8.46 7.38 1.51* J * 0.09 * D 0.75 − 0.25 Ec K
Indice de Serviciabilidad Inicial Indice de Serviciabilidad Final o Terminal (Pt) Diferencial de Serviciabilidad Según Rango de Trafico Tipo de Caminos
Caminos de Bajo Volumen de Trafico
Resto de Caminos
Trafico
Indice de Ejes Equivalentes Serviciabilidad Acumulados Inicial
Tp1
150,001
Tp2 Tp3 Tp4 Tp5 Tp6 Tp7 Tp8 Tp9 Tp10 Tp11 Tp12 Tp13 Tp14 Tp15
300,001 500,001 750,001 1,000,001 1,500,001 3,000,001 5,000,001 7,500,001 10,000,001 12,500,001 15,000,001 20,000,001 25,000,001
300,000 500,000 750,000 1,000,000 1,500,000 3,000,000 5,000,000 7,500,000 10,000,000 12,500,000 15,000,000 20,000,000 25,000,000 30,000,000 < 30000000
Indice de Ddiferencial Serviciabilidad de Final o Serviciabilidad Terminal (Pt) (APSI) 4.10 2.00 2.10 4.10 4.10 4.10 4.30 4.30 4.30 4.30 4.30 4.30 4.30 4.50 4.50 4.50 4.50
2.00 2.00 2.00 2.50 2.50 2.50 2.50 2.50 2.50 2.50 3.00 3.00 3.00 3.00
2.10 2.10 2.10 1.80 1.80 1.80 1.80 1.80 1.80 1.80 1.50 1.50 1.50 1.50
Valores Recomendados de Nivel de Confiabilidad (R) Desviacion Estandar Nrmal (Zr) Para una sola etapa de 20 Años Según Rango de Trafico Tipos de Caminos Camino de Bajo Volumen de Transito
Resto de Caminos
Trafico Tp0 Tp1 Tp2 Tp3 Tp4 Tp5 Tp6 Tp7 Tp8 Tp9 Tp10 Tp11 Tp12 Tp13 Tp14 Tp15
Ejes Equivalentes Acumulados 100,000 150,001 300,001 500,001 750,001 1,000,001 1,500,001 3,000,001 5,000,001 7,500,001 10,000,001 12,500,001 15,000,001 20,000,001 25,000,001
150,000 300,000 500,000 750,000 1,000,000 1,500,000 3,000,000 5,000,000 7,500,000 10,000,000 12,500,000 15,000,000 20,000,000 25,000,000 30,000,000 < 30000000
Desviacion Nivel de Estandar Normal Confiabilidad ® (ZR) 65% -0.385 70% -0.524 75% 80% 80% 85% 85% 85% 90% 90% 90% 90% 90% 90% 90% 95%
-0.674 -0.842 -0.842 -1.036 -1.036 -1.036 -1.282 -1.282 -1.282 -1.282 -1.282 -1.282 -1.282 -1.645
Valores de Coeficiente de Transmision de Carga J J Tipo de Berma
Granular o Asfaltica
Concreto Hidraulico
Si (con pasadores)
No (sin pasadores)
Si (con pasadores)
No (sin pasadores)
3.2
3.8 - 4.4
2.8
3.8
valores J
PROBABILIDAD Y TANTEO EN D 6.93
=
6.93
LOSA
SUB BASE
209
200
mm mm
