Capitulo 5 Manuales de Mecanica de Pavimentos 2018

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE TRANSPORTE Y VÍAS

MA N UA L E S D E ME C Á N I C A D E P A V I ME N T OS CALCULO DE ESFUERZOS, DEFORMACIONES Y DEFLEXIONES EJEMPLOS DE APLICACION

GUI GU I AS DE CLASE

INGENIERO CARLOS HERNANDO HERNANDO HIGUERA SANDOVAL MSc.

TUNJA – 2015

Manuales Manuales de d e mecánic mecánic a de pavi pavi mentos

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CARLOS HERNANDO HIGUERA SANDOVAL Ingeniero en Transportes y Vías de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Especialista en Vías Terrestres de la Universidad del Cauca Especialista en Carreteras de la Universidad Politécnica de Madrid – España Especialista en Transportes Terrestres de la Universidad Politécnica de Madrid - España Magíster en Vías Terrestres de la Universidad del Cauca Profesor Titular – Escuela Transporte y Vías – Facultad de Ingeniería Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Integrante del Grupo de Investigación y Desarrollo en Infraestructura Vial – GRINFRAVIAL

I ng: Carlos Hernando Hernando Hi guera Sand Sando oval. val. MSc. M Sc.


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CARLOS HERNANDO HIGUERA SANDOVAL Ingeniero en Transportes y Vías de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Especialista en Vías Terrestres de la Universidad del Cauca Especialista en Carreteras de la Universidad Politécnica de Madrid – España Especialista en Transportes Terrestres de la Universidad Politécnica de Madrid - España Magíster en Vías Terrestres de la Universidad del Cauca Profesor Titular – Escuela Transporte y Vías – Facultad de Ingeniería Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Integrante del Grupo de Investigación y Desarrollo en Infraestructura Vial – GRINFRAVIAL



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AGRADECIMIENTOS El autor de la presente publicación expresa sus agradecimientos a: Ingeniero JUAN CARLOS POVEDA D’OTERO, Director de la Escuela de Transporte y Vías, de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, por su gran apoyo y sus consejos para sacar adelante esta publicación. Ingeniero JORGE NEVARDO PRIETO MUÑOZ, Profesor del Área de Infraestructura Vial de la Escuela de Transporte y Vías de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Director del Grupo de Investigación en Infraestructura Vial – GRINFRAVIAL, por su apoyo y orientación en la realización de los trabajos de desarrollo e investigación. Ingeniero GONZALO PÉREZ BUITRAGO, Profesor del Área de Infraestructura Vial de la Escuela de Transporte y Vías de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, por sus sabios consejos y empeño en los trabajos de desarrollo e investigación. A los integrantes del Grupo de Investigación y Desarrollo en Infraestructura Vial – GRINFRAVIAL – Categoría C, de la Escuela de Transporte y Vías de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, por su apoyo en la redacción de la presente publicación. A Mis Compañeros de la Escuela de Transporte y Vías de la Facultad de Ingeniería de La Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia , por sus consejos y apoyo en la redacción de esta publicación. A mi esposa Liliana Patricia y mis hijos, Carolina y Ricardo , mi querida familia, quienes me apoyaron en todo momento y me dan cada día ánimo para seguir escribiendo y contribuir en la formación de nuevos ingenieros con gran calidad y sentido humano. A todas aquellas personas que de una un a u otra forma contribuyeron en la redacción de esta publicación.


Manuales de mecánic a de pavi mentos

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RESUMEN Actualmente, todas las metodologías racionales de diseño y evaluación de estructuras de pavimentos contemplan dentro de sus procesos de análisis la mecánica de pavimentos, la cual es la encargada de estudiar el comportamiento interno de un modelo estructural, ante las solicitaciones de carga, en lo referente a los esfuerzos, deformaciones y deflexiones. Por lo tanto, la mecánica de pavimentos es tema de básico conocimiento por parte de los Ingenieros de carreteras, porque de su análisis, se generan los parámetros fundamentales para el diseño de nuevas estructuras de pavimentos o la evaluación de las estructuras existentes. El presente documento, constituye un material didáctico convertido en guías de clase para la enseñanza de la mecánica de pavimentos en los cursos de pregrado y postgrado, del área de la infraestructura vial de la ingeniería de carreteras. El documento presenta los manuales de los programas más utilizados en muestro medio para el cálculo de parámetros de la mecánica de pavimentos, tales como: el manual del usuario del programa DEPAV, el manual del usuario del programa BISAR 3.0 de la SHELL, el manual del usuario del programa EVERSTRESS, el manual del usuario del programa CEDEM, el manual del usuario del programa KENSLABS y el manual del usuario del programa KENLAYER y se constituye en un texto de consulta y estudio de diversas situaciones de la mecánica de pavimentos y presenta los aspectos teóricos, ejemplos de aplicación, bibliografía especializada y talleres de aplicación.

Palabras claves: Mecánica de pavimentos, esfuerzos en pavimentos, deformación de pavimentos, deflexión en pavimentos, diseño de pavimentos, pavimentos flexibles y pavimentos rígidos.

I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


5

INTRODUCCION El presente documento se titula “ Manuales

de mecánica de pavimentos ”

y se

constituye en las guías de clase para la enseñanza del diseño de estructuras de pavimentos en los cursos de pregrado y postgrado, del área de la infraestructura vial de la ingeniería de carreteras. El documento está elaborado de una manera didáctica para la enseñanza, puesto que trata los aspectos teóricos, ejemplos de aplicación, bibliografía especializada y talleres de aplicación de los diferentes manuales que se presentan en los capítulos que lo integran. Estas guías de clase están desarrolladas en seis capítulos, en los cuales se presentan los diferentes manuales del usuario de los programas comúnmente utilizados para calcular los parámetros de la mecánica de pavimentos para el diseño de los mismos. El conocimiento y dominio de estos manuales y programas de cálculo son básicos en la formación de los estudiantes de los programas de Ingeniería de Transportes y Vías, Ingeniería Civil o en los cursos de postgrado a nivel de especialización o maestría en el área de la infraestructura vial. El Capítulo Primero, trata sobre el manual del usuario del programa DEPAV, el cual fue desarrollado por la Universidad del Cauca para el diseño de estructuras de pavimentos flexibles. Además, se presenta un ejemplo de aplicación desarrollado en detalle, la bibliografía y se propone un taller de aplicación El Capítulo Segundo, trata sobre el manual del usuario del programas BISAR 3.0, desarrollado por la Compañía SHELL y se utiliza para calcular esfuerzos, deformaciones y deflexiones en estructuras de pavimentos flexibles. Además, se presenta un ejemplo de aplicación desarrollado en detalle, la bibliografía y se propone un taller de aplicación El Capítulo Tercero, trata sobre el manual del usuario del programa EVERSTRESS, desarrollado por el Departamento de Transportes de Washington y se utiliza para el cálculo de esfuerzos, deformaciones y deflexiones de estructuras de pavimento flexible. Además, se presenta un ejemplo de aplicación desarrollado en detalle, la bibliografía y se propone un taller de aplicación. El Capítulo Cuarto, hace referencia al manual del usuario del programa CEDEM, desarrollado por el Ingeniero Jairo A. Delgado E., profesor de la Universidad de los Andes, y se utiliza para el cálculo esfuerzos, deformaciones y deflexiones en I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


6

estructuras de pavimentos flexibles. Además, se presenta un ejemplo de aplicación desarrollado en detalle, la bibliografía y se propone un taller de aplicación. El Capítulo Quinto, presenta el manual del usuario del programa KENSLABS, desarrollado por el profesor Yang Huang de la Universidad de Kentucky y se utiliza para el diseño de estructuras de pavimentos rígidas. Además, se presenta un ejemplo de aplicación desarrollado en detalle, la bibliografía y se propone un taller de aplicación. El Capítulo Sexto, presenta el manual del usuario del programa KENLAYER, desarrollado por el profesor Yang Huang de la Universidad de Kentucky y se utiliza para el diseño de estructuras de pavimentos flexibles El buen uso de estas guías de clase es responsabilidad del usuario y en ningún momento comprometen al autor del documento ni a la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia.

Ing : C arlos Hernando Hig uera S andoval MS c. Tunja 2015.



7

TABLA DE CONTENIDO Página RESUMEN

iv

INTRODUCCIÓN

v

MANUAL DEL USUARIO DEL PROGRAMA DEPAV

1

1.1

GENERALIDADES

1

1.2

DEFINICION DEL MODELO ESTRUCTURAL

1

1.3

MANUAL DEL USUARIO

2

1.4

COMPARACION DE RESULTADOS CON OTROS

8

1

PROGRAMAS DE CÁLCULO 1.5

BIBLIOGRAFIA

8

1.6

TALLER DE APLICACIÓN

9

MANUAL DEL USUARIO DEL PROGRAMA BISAR 3.0 DE LA

11

2

SHELL 2.1

GENERALIDADES

11

2.2

INSTALACION DEL BISAR 3.0

11

2.3

INICIACION DEL BISAR 3.0

12

2.4

MENU DE EDICION

14

2.5

MENU DE COPIAR

15

2.6

MENU DE RESULTADOS

15

2.7

MENU VENTANA

15

2.8

MENU DE AYUDAS

16

2.9

PRINCIPIOS DEL PROGRAMA BISAR 3.0

19

2.10

COORDENADAS DE POSICION DE LAS CARGAS

19

2.11

PARAMETROS DE ENTRADA

20

2.12

SALIDAS

22

2.13

MENSAJES DE ERROR

25

2.14

EJEMPLO DE APLICACIÓN

26

2.15

BIBLIOGRAFIA

33

2.16


33



3

8

MANUAL DEL USUARIO DEL PROGRAMA EVERSTRESS

35

3.1

GENERALIDADES

35

3.2

MANUAL DEL USUARIO

35

3.3

BIBLIOGRAFIA

45

3.4


45

MANUAL DEL USUARIO DEL PROGRAMA CEDEM

47

4.1

FUNDAMENTO TEORICO DEL PROGRAMA

47

4.2

ESPECIFICACIONES TECNICAS DEL PROGRAMA

47

4.3

MANUAL DEL USUARIO

48

4.4

PROCEDIMIENTO PARA INGRESAR LOS DATOS DE UNA

51

4

ESTRUCTURA DE PAVIMENTO FLEXIBLE 4.5


54

4.6

CUADRO COMPARATIVO DE LOS RESULTADOS

60

OBTENIDOS POR LOS DIFERENTES PROGRAMAS DE CALCULO 4.7

CONCLUSIONES Y COMENTARIOS

62

4.8

BIBLIOGRAFIA

62

4.9


63

MANUAL DEL USUARIO DEL PROGRAMA KENSLABS

64

5

PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGIDOS 5.1

PRESENTACION DEL PROGRAMA

64

5.2


66

5.3

ANALISIS DE RESULTADOS

84

5.4

BIBLIOGRAFIA

85

MANUAL DEL USUARIO DEL PROGRAMA KENLAYER

86

6

PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES 6.1

GENERALIDADES

86

6.2

ENTORNO Y OPCIONES DEL MODULO KENLAYER

86

6.3

BIBLIOGRAFIA

102

Archivo: PORTADA-LIBRO-MECANICA



9

CAPITULO 1 MANUAL DEL USUARIO DEL PROGRAMA DEPAV 1.1 GENERALIDADES El software INPACO (Investigación Nacional de Pavimentos en Colombia), en su módulo DEPAV, fue desarrollado por: el Ministerio de Transporte y el Instituto de Vías de la Universidad del Cauca, con la participación de los ingenieros ALFONSO MURGUEITIO VALENCIA, CARLOS ALBERTO BENAVIDES y EFRAÍN DE J. SOLANO FAJARDO. El software se utiliza en el diseño estructural de pavimentos flexibles y calcula esfuerzos y deformaciones máximas, que una rueda doble colocada en la superficie produce en los niveles de interfase de un sistema elástico multicapa. La sigla DEPAV significa Diseño Estructural de Pavimentos, usado para diseñar y verificar estructuras de pavimentos flexibles y es una adaptación al español del software Francés ALIZE III. DEPAV puede ser aplicado a estructuras multicapa, linealmente elásticas, homogéneas e isotrópicas con un número de capas que oscila entre 2 y 6, caracterizadas por el espesor, el módulo de elasticidad y la relación de Poisson. DEPAV calcula los esfuerzos, deformaciones y deflexiones, a que se ven sometidas las diferentes capas de la estructura del pavimento, bajo la acción de las cargas del tránsito. Son de especial importancia la deformación radial de tracción en la fibra inferior de la capa asfáltica, la deformación vertical de compresión sobre la subrasante, la deformación radial de tracción en la fibra inferior de las capas estabilizadas, el esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante y la deflexión en la superficie del modelo estructural del pavimento.

1.2 DEFINICIÓN DEL MODELO ESTRUCTURAL Antes de utilizar el programa DEPAV, es necesario tener definido el modelo de estructura (ver Figura 1.1) de la estructura del pavimento a estudiar, estipulando el número de capas, la caracterización del material de cada capa en términos del módulo dinámico (E), la relación de Poisson (µ), el radio de carga (a), la presión de contacto (q) y la separación entre las llantas (s).



10

Figura 1.1 Modelo estructural de un pavimento flexible P

a

P

s q r

Concreto asfáltico

1

Base granular

2



5.6 Kg/cm

a = 10.8 cm s = 32.4 cm

10 cm

E1 = 25000 Kg/cm2 µ1 = 0.35

20 cm

E2 = 6000 Kg/cm2 µ2 = 0.40

30 cm

E3 = 1600 Kg/cm2 µ3 = 0.40

z

3

Subbase gr anular

Subrasante

z

4

E4 = 400 Kg/cm2 µ4 = 0.50

Fuente: Elaboración propia.

1.3 MANUAL DEL USUARIO El programa DEPAV es muy sencillo de utilizar y para ello se deben seguir los siguientes pasos:

1.3.1 Datos de entrada del programa. Para el funcionamiento correcto del programa se ingresan los siguientes datos: Datos de carga. Se ingresa la presión de contacto o de inflado (q), en Kg/cm 2. Radio de carga (a). Se ingresa el radio de la huella circular o de carga en centímetros. Distancia entre ejes de llantas (s). Este valor corresponde a una distancia de tres veces el radio del área de carga (3·a) y está en unidades de centímetros. Módulos de elasticidad (E). Son la base para la caracterización de las capas del pavimento, en Kg/cm 2 Relación de Poisson (µ). Este parámetro es adimensional, se ingresa el valor típico de cada capa del modelo estructural de pavimento. Espesor de las capas (h). Se ingresa el espesor de cada capa del modelo estructural del pavimento a excepción de la última capa que corresponde a la subrasante, en centímetros. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


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1.3.2 Operación del programa. Cuando se inicia el programa DEPAV, aparece la pantalla de diálogo de la Figura 1.2. Figura 1.2. Pantalla de presentación del programa DEPAV

Fuente: UNIVERSIDAD DEL CAUCA – INSTITUTO DE POSGRADO EN VÍAS. DEPAV. [programa de computador] Popayán.

Código y título. Un Código numérico inicial de entrada de 0001 hasta 9999 y título un que permite ejecutar el análisis (ver Figura 1.3), cada código tiene un máximo de diez alternativas distintas. DEPAV almacena los resultados de las evaluaciones y permite observarlos o imprimirlos. Figura 1.3. Menú principal con la opción de código y título

Fuente: UNIVERSIDAD DEL CAUCA – INSTITUTO DE POSGRADO EN VÍAS. DEPAV. [programa de computador] Popayán. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


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Información de alternativas. El programa permite ingresar hasta 10 alternativas (ver Figura 1.4), cada una de ellas necesita los datos de entrada descritos en el numeral 1.3.1 para acceder a cada alternativa se presiona ENTER y para salir la tecla ESCAPE. Alternativas a evaluar. Se elige la alternativa a evaluar seleccionando con la letra S, o en el caso contrario N (ver Figura 1.4). Figura 1.4. El programa presenta las alternativas a evaluar


Cálculos. En esta opción el programa pregunta si en ese momento se realizan los cálculos de esfuerzos, deformaciones y deflexiones y se corrobora con la letra S o se niega con la letra N.



13

Figura 1.5. Información de las alternativas


Resultados. Es la parte final del programa, se presenta primero la opción de escoger la alternativa a la que se le desean ver los resultados y luego se presiona ENTER. El reporte de salida muestra información de esfuerzos, deformaciones y deflexiones en las posiciones en A, B y C (ver Figura 1.6), estos resultados muestran los valores máximos para una carga:

A = Bajo una rueda simple B = Bajo una de las llantas de una rueda doble C = Al centro de la rueda doble Los resultados obtenidos, son presentados por el programa en pantalla o por impresora. Es posible que los resultados no se presenten en una sola pantalla, por lo que puede ser necesario teclear PgDn.



14

Figura 1.6. Reporte de salida el programa


Estando en la pantalla de resultados, es posible obtener otras funciones con el teclado como son:

F3 = Información acerca del programa F4 = Posición del valor máximo de una carga F6 = Estructura asociada a una alternativa F8 = Obtener resultados por impresora F10 = Terminar. Terminar. Con esta opción salimos del programa. 1.3.3 Ejemplo de aplicación. Para implementar el programa DEPAV se analiza la siguiente estructura de pavimento, Ver Figura 1.1 Solución: Los datos del programa DEPAV se ingresan tal como se indica en las Figuras 1.2 a 1.5, mostradas anteriormente. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


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De acuerdo a los cálculos desarrollados por el programa DEPAV los valores de los parámetros de los esfuerzos, deformaciones y deflexiones se presentan en el formato de salida del programa, tal como se indica en la Figura 1.6. En el Cuadro 1.1 se indican los valores de los parámetros que se utilizan para el diseño de las estructuras de pavimentos flexibles, de manera de poder analizar los criterios de diseño, tal como es la fatiga, la deformación o ahuellamiento y la deflexión de un modelo estructural. Los puntos principales de análisis de un modelo estructural son: la deformación radial por tracción en la base de la capa superior o capa asfáltica (bajo una de las llantas), (ξr), la deformación vertical de compresión sobre la subrasante (ε z), el esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante (σZ) y la deflexión en la superficie de la capa superior (∆).

Cuadro 1.1. Valores de los parámetros principales en la evaluación de estructuras de pavimento flexible, obtenidos con el programa DEPAV

Puntos principales

Deformación radial de tracción en la base de la capa asfáltica, ξ r

Deformación vertical de compresión sobre la subrasante, ξ z

DEPAV

1.52х10-4

3.26х10-4

Esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante, σ Z (Kg/cm2)

0.1468

Deflexión en la superficie del modelo estructural, ∆ (mm)

0.5367




1.4 COMPARACION DE CÁLCULO

16

RESULTADOS CON

OTROS

PROGRAMAS DE

Usando la misma estructura de pavimento flexible que se indica en la Figura 1.1 se determinan los valores de los parámetros de diseño por medio de los programas EVERSTRESS, DEPAV y BISAR, tal como se indica en el Cuadro 1 .2

Cuadro 1.2. Valores de los parámetros principales en la evaluación de estructuras de pavimento flexible, obtenidos con los programas EVERSTRESS, DEPAV y BISAR Puntos principales

EVERSTRESS

DEPAV

BISAR 3.0

Deformación radial de tracción en la base de la capa

1.518х10-4

1.520х10-4

1.519х10-4

3.266х10-4

3.260х10-4

3.267х10-4

Esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante, δZ (Kg/cm2)

0.1463

0.1468

0.1464

Deflexión, ∆ (mm)

0.548

0.537

0.548

asfáltica, ξ r

Deformación vertical de compresión sobre la subrasante, ξz


Los resultados que se presentan en el Cuadro 1.2, obtenidos por medio de los tres programas de cálculo, son prácticamente los mismos, por lo tanto utilizar uno u otro programa de cálculo es igual, lo importante es la interpretación de los resultados obtenidos y su correcta aplicación para el diseño de las estructuras de pavimento flexible

1.5 BIBLIOGRAFIA AASHTO: American Association of State Highway Transportation Official. CAMARGO JIMENEZ, Edy Alexander. Análisis de sensibilidad de los parámetros de diseño en estructuras de pavimentos flexibles. Tesis de grado. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2006.



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Departamento de Transporte del Estado de Washington - WSDOT. Pavement guide. Programa EVERSERIES, Módulo EVERSTRESS: Washington; 1995. 15p. (vol. 3) HIGUERA SANDOVAL, Carlos Hernando. Nociones sobre métodos de diseño de estructuras de pavimento para carreteras. Guías de clase. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2006. -------. Nociones sobre evaluación y rehabilitación de pavimentos métodos de diseño de estructuras de pavimento. Guías de clase. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2006. -------. Mecánica de pavimento. Guías de clase. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2007. HUANG, Yang H. Pavement analysis and design. Segunda edición. 2004.

1.6 TALLER DE APLICACIÓN Para las estructuras de pavimento flexible, mostradas en las Figuras 1.8 y 1.9, determinar los valores de los siguientes parámetros de diseño y comparar sus magnitudes con las obtenidas por medio del programa EVERSTRESS, DEPAV y BISAR. Deducir conclusiones. 

Deformación radial de tracción en la base de la capa asfáltica



Deformación vertical de compresión sobre la subrasante



Esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante



Deflexión del modelo estructural en la superficie



18

Figura 1.8. Modelo estructural de un pavimento flexible P

a

P

s q

5.6 Kg/cm

r

Concreto asfáltico

a = 10.8 cm s = 32.4 cm

2



1

Base granular

10 cm

E1 = 20000 Kg/cm2 µ1 = 0.35

20 cm

E2 = 5000 Kg/cm2 µ2 = 0.40

35 cm

E3 = 1500 Kg/cm2 µ3 = 0.40

z

3

Subbase gr anular

Subrasante

E4 = 300 Kg/cm2 µ4 = 0.50

z

4



a = 15.27 cm

4100 Kg

a q



5.60 Kg/cm

2

Concreto asfáltico

12 cm

E1 = 3000 MPa µ1 = 0.35

Base granular

15 cm

E2 = 450 MPa µ2 = 0.40

25 cm

E3 = 200 MPa µ3 = 0.40

Subbase granular

Subrasante

Fuente: Elaboración propia. . Archivo: MANUAL DEPAV-CHHS


E4 = 40 MPa µ4 = 0.50


19

CAPITULO 2 MANUAL DEL USUARIO DEL PROGRAMA BISAR 3.0 DE LA SHELL 2.1 GENERALIDADES La versión computarizada del manual de diseño de pavimentos de la Shell (publicado en 1978, en forma de curvas de diseño) SPDM-PC versión 3.0 consiste de tres paquetes que permiten gran flexibilidad para introducir un amplio rango de parámetros de diseño, que evitan las extensas interpolaciones que se requieren cuando se utiliza el libro. BISAR 3.01 es uno de los paquetes del software de diseño de pavimentos de la Shell, junto con BANDS 2.0 y SPDM 3.0. El programa BISAR 3.0 fue desarrollado a comienzos de los años 1970’s por la

Compañía Shell para dibujar las cartas de diseño del Manual de Diseño de Pavimentos publicado en 1978. El programa está diseñado para el uso bajo Windows y contiene herramientas para el cálculo de esfuerzos, deformaciones, deflexiones presentes en una estructura de pavimento. Además, puede tratar fuerzas horizontales presentes en la superficie, desplazamientos entre las capas de pavimento y brinda opciones para ingresar con facilidad distintas configuraciones de ruedas y seleccionar automáticamente posiciones importantes en una capa determinada de la estructura de pavimento.

2.2 INSTALACIÓN DE BISAR 3.0 El paquete de instalación de BISAR 3.0 consiste se un archivo ejecutable (archivo INSTALL.exe, en la carpeta BISAR3 suministrada por el fabricante) que orientara el proceso de extracción del instalador. El diseño del paquete de instalación sigue los estándares de las aplicaciones de Windows, así que requiere de poca experiencia para proceder. Además, el asistente de instalación le guiará a través de este proceso. El explorador de medios también incluye instrucciones sobre las instalaciones en red, proporciona acceso a información relativa al soporte técnico y el registro de licencias, y la creación de un acceso directo en el Menú de Inicio. La instalación puede hacerse desde un CD o un disco de alta densidad. 1 BISAR

3.0: Bitumen Stress Analysis in Roads (Versión 3.0). Información del Método Shell para el diseño de estructuras de pavimentos. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


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2.3 INICIACIÓN DE BISAR 3.0 El programa se inicia haciendo clic en el Menú de Inicio sobre el icono del programa BISAR 3.0. A continuación, aparece la pantalla principal mostrando los menús principales que integran el programa.

Figura 2.1. Pantalla principal

Fuente:

Shell International Petroleum Company Limited. Programa BISAR 3.0. Londres, 1998.

2.3.1 MENÚ PROJECT (Menú Proyecto) El menú File tiene nueve opciones:

Figura 2.2. Menú Proyecto

Fuente:




21

2.3.2 New (Nuevo proyecto) Esta opción permite que un nuevo proyecto sea creado. Es posible tener varios proyectos abiertos simultáneamente, pero si al crear un nuevo proyecto se excede el número máximo de proyectos que pueden estar abierto un mensaje de advertencia es mostrado (en Windows 95 pueden estar simultáneamente abiertos aproximadamente 9 proyectos, esto depende del número de aplicaciones en uso).

2.3.3 Open (Abrir proyecto) Esta opción despliega una lista de proyectos previamente guardados, de la que un proyecto existente puede ser seleccionado para editar.

2.3.4 Close (Cerrar) Permite cerrar un proyecto sin salir del programa.

2.3.5 Previous Calculations (Cálculos Previos) Después de que BISAR haya realizado los cálculos, para un determinado proyecto, el usuario tiene la posibilidad de guardar los resultados para volverlos a visualizar o imprimir posteriormente sin necesidad de entrar datos o de correr el programa.

2.3.6 Delete (Borrar) Esta alternativa permite al usuario eliminar proyectos guardados previamente. Además, a través del uso de esta opción es posible borrar configuraciones de carga, capas y posiciones guardadas durante la edición de cualquier proyecto.

2.3.7 Compact Database (Compactar Base de Datos) Cuando los proyectos y/o resultados son eliminados de la base de datos de BISAR 3.0, el espacio que una vez ocuparon no es liberado automáticamente. La opción Compactar Base de Datos libera este espacio manualmente.

2.3.8 Repair Database (Reparar Base de Datos) Bajo las ciertas circunstancias como por ejemplo una pérdida de energía eléctrica en medio de un cálculo, es posible que la base de datos de BISAR 3.0 se dañe. Cuando esto ocurre el programa no permite abrir o guardar un proyecto, se despliega un mensaje de error que indica que la base de datos no puede ser abierta entonces es I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


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necesario seleccionar la opción de reparación de la base de datos para el correcto funcionamiento del programa. En general la principal función de las opciones Compact Database y Repair Database es la del mantenimiento de la base de datos del programa.

2.3.9 Page Setup (Configuración de página) Esta opción permite al usuario seleccionar por medio de dos submenús el tamaño del papel en el cual el reporte de resultados se imprimirá. Permite la selección de dos tamaños de papel: A4 (21.0 cm  29.7 cm) y carta (21.59 cm  27.94 cm). Nota: El programa guarda el tamaño de papel seleccionado para posteriores sesiones.

2.3.10 Exit (Salir) Esta opción permite salir del programa BISAR 3.0. También es posible seleccionar esta opción presionando el botón en la parte superior izquierda de la pantalla principal de BISAR 3.0. Es necesario tener en cuenta que si un proyecto se ha editado o modificado, BISAR 3.0 muestra un mensaje en el que se solicita que se guarden o descarten los cambios antes de salir de la aplicación.

2.4 MENÚ EDIT (Menú Edición) Este menú permite deshacer todos los cambios realizados a un proyecto. Esta opción se activa al abrir o crear un proyecto.

Figura 2.3. Menú Edit

Fuente:




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2.5 MENÚ COPY FROM (Menú Copiar de) El menú Copy From ofrece la opción de copiar los datos de entrada (configuración de carga, información de las capas, posiciones de carga) de un sistema de entrada a otro dentro de un mismo proyecto.

Figura 2.4. Menú Copy From

Fuente:


2.6 MENÚ RESULTS (Menú Resultados) Cuando todos los datos de entrada han sido suministrados los cálculos se inician seleccionando el menú Results y Calculate o presionando la tecla F5. Antes de iniciar la ejecución de los cálculos el programa da la opción de guardar el proyecto.

Figura 2.5. Menú Results

Fuente:


2.7 MENÚ WINDOW (Menú Ventana) El menú Window tiene dos opciones: I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


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Figura 2.6. Menú Window

Fuente: 




Cascade (Cascada): Es posible tener abiertos más de un proyecto en una única sesión de BISAR 3.0. Si hay varios proyectos abiertos, la opción cascada permite controlar la visualización de estos. Windows (Ventanas): La opción permite mostrar los proyectos abiertos como elementos separados en la barra de tareas de Windows. Si hay varios proyectos abiertos, haciendo clic en un proyecto de la lista de proyectos abiertos se convertirá en activo. También, haciendo clic en cualquier punto de un proyecto se convertirá en activo.

2.8 MENÚ HELP (Menú Ayuda) El Menú Help (Ayuda) ofrece las siguientes opciones:

Figura 2.7. Menú Help

Fuente:




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2.8.1 Contents (Contenidos) La ayuda de BISAR 3.0 proporciona información detallada sobre el uso del programa. Haciendo clic en los vínculos de la ventana o utilizando la ficha Búsqueda el usuario podrá desplazarse por los temas de la Ayuda. Entre los temas principales de ayuda contenida están los principios fundamentales del programa BISAR 3.0, el uso del Menú del Sistema, el trabajo con proyectos, el uso de cálculos previos e información sobre aplicación y uso de las tablas y los reportes generales y detallados.

Figura 2.8. Contenidos de ayuda de BISAR 3.0

Fuente:


2.8.2 Search For Help On (Búsqueda en ayuda sobre) Esta opción permite la búsqueda de información dentro de los contenidos de ayuda de BISAR 3.0.



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Figura 2.9. Búsqueda de ayuda en BISAR 3.0

Fuente:


La ventana de búsqueda muestra una lista de palabras clave en orden alfabético relacionadas con los temas que aparecen en la ventana de contenidos de ayuda. Escribiendo una palabra o seleccionándola de la lista de ayuda, y presionando el botón “mostrar temas”, el usuari o podrá utilizar esta ficha para acceder con rapidez a la información existente al respecto.

2.8.3 About BISAR 3.0 (Acerca de BISAR 3.0) Esta opción del Menú Help muestra información sobre los derechos de autor e información del programa BISAR 3.0. La información del producto incluye el número de versión del programa y el acuerdo de licencia.

Figura 2.10. Información de BISAR 3.0

Fuente:




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2.9 PRINCIPIOS DEL PROGRAMA BISAR 3.0 Con el programa de BISAR 3.0, se puede calcular esfuerzos, deformaciones y deflexiones para un sistema elástico multicapa definido por los siguientes principios: 







El sistema consiste de capas horizontales de espesor uniforme apoyadas sobre una base semi-infinita. Las capas son infinitas en dirección horizontal. El material de cada capa es homogéneo e isotrópico. Los materiales son elásticos y tienen una relación esfuerzo-deformación lineal.

El sistema es cargado en la parte superior de la estructura por una o más cargas circulares, con un esfuerzo uniforme distribuido sobre el área cargada. El programa ofrece la posibilidad de calcular el efecto de fuerzas cortantes en la superficie. El programa BISAR 3.0 requiere de las siguientes entradas para ejecutar los cálculos: 



















El número de capas (máximo 10). El módulo de elasticidad de las capas. La relación Poisson de las capas. El espesor de las capas (excepto para la capa inferior que es semi-infinita) El relajamiento elástico al corte de la interfase en cada interfase. El número de cargas (máximo 10). Las coordenadas de posición de las cargas. Una de las siguientes combinaciones para indicar la componente normal vertical de la carga: Esfuerzo y carga, Carga y radio (por defecto) o Esfuerzo y radio. La componente horizontal de la carga y la dirección de esta fuerza cortante. Las coordenadas de las posiciones donde se requiera el cálculo (máximo 10).

2.10 COORDENADAS DE POSICIÓN DE LAS CARGAS Las coordenadas de posición de entrada para las cargas en BISAR es expresada en relación con un sistema de coordenadas cartesianas (X,Y,Z). Sin embargo, los cálculos de BISAR, determinan la reacción de una carga en cierta posición en relación con los esfuerzos, deformaciones y deflexiones resultantes realizadas en un sistema de coordenadas cilíndricas local (r, ,z) para cada carga.



28

Figura 2.11. Sistema de coordenadas de posición de las cargas

Fuente:

Elaboración propia.

Donde: a: Radio del área cargada, m. s: Separación entre ejes de carga, m. q: Esfuerzo o presión de contacto, kPa. P: Carga vertical, kN.

2.11 PARÁMETROS DE ENTRADA Después de crear un nuevo proyecto se procede a la entrada de la información de la estructura de pavimento. La Figura 2.12 muestra la ventana inicial del proyecto creado en el programa. En esta ventana tiene 3 pestañas, las cuales corresponden a la entrada de información para las cargas, capas y posiciones. En la pestaña para la información de las cargas se determina el número de sistemas del proyecto (máximo 10) y sus respectivas descripciones, se suministra el modo para indicar la componente normal vertical de la carga y sus respectivas magnitudes (Esfuerzo y carga, Carga y radio, Esfuerzo y radio), el número de cargas circulares (máximo 10), las coordenadas de posición de las cargas, la magnitud y dirección de la carga vertical (si esta presente). En la Figura 2.12 se puede notar que existe la opción de utilizar la configuración de rueda doble estándar. Esta carga de diseño estándar para eje sencillo adoptada es 80 kN. Cada eje estándar es asumido con dos ruedas dobles de 20 kN cada una con presión de contacto de 577.4 MPa, un radio del área de contacto de 105 mm y una separación entre ejes de carga de 31.5 cm. En la pestaña para la información de las capas se suministra el número de capas (máximo 10) que componen la estructura de pavimento, asignando para cada capa el espesor en metros, el módulo de elasticidad en MPa y la relación de Poisson. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


29

Figura 2.12. Ventana inicial del proyecto, pestaña Cargas

Fuente:


Figura 2.13. Ventana inicial del proyecto, pestaña Capas

Fuente:


En la pestaña posiciones se suministra la información de las coordenadas en las cuales se evalúan los diferentes parámetros (máximo 10). Al definir posiciones para una interfase el programa ofrece la opción de seleccionar entre ejecutar los cálculos para ambas capas o para una capa específica.



30

Figura 2.14. Ventana inicial del proyecto, pestaña Posiciones

Fuente:


Cada una de las pestañas tiene opciones para guardar (Save) o cargar (Retreive) información referente a configuraciones de carga, características de las capas y posiciones de carga personalizadas.

2.12 SALIDAS Cuando se ha ingresado la totalidad de los parámetros de entrada requeridos y después de seleccionar la opción Calculate del Menú Results, el programa inicia la ejecución de los cálculos, y al finalizarse esta, el siguiente mensaje se despliega:

Figura 2.15. Salidas de BISAR 3.0

Fuente:


El programa ofrece cuatro tipos de salidas: reporte general, reporte detallado, tabla general y tabla detallada. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


31

2.12.1 Reportes de resultados En BISAR 3.0 existen dos tipos de reportes de resultados, el reporte general (Block Report) y el reporte detallado (Detail Report). Los reportes de resultados consisten de una plantilla prediseñada para la impresión de los resultados realizados por el programa. En el reporte general, las entradas y salidas para un sistema están recopiladas. Las salidas comprenden esfuerzos y deformaciones normales y deflexiones uniaxiales para cada posición seleccionada en la estructura. Estos esfuerzos y deformaciones normales son denotados como XX, YY, ZZ de acuerdo a las direcciones en el sistema de coordenadas Cartesianas. Las deflexiones uniaxiales son denotados respectivamente como UX, UY y UZ. El reporte detallado consiste de una primera página que contiene las entradas de un sistema como son las capas de la estructura y la configuración de carga. Las páginas siguientes contienen las salidas detalladas por posición seleccionada (una posición por página). Además, los reportes incluyen visualización de unidades.

Figura 2.16. Reporte de resultados

Fuente:


Los botones en la parte superior de la ventana que despliega al seleccionar cualquiera de los dos diferentes tipos de reporte facilitan al usuario el desplazamiento hacia delante y hacia atrás en los reportes. Las funciones de cada botón son: I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


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Ir a la primera página del reporte Ir a la página anterior Ir a la página siguiente Ir a la última página del reporte Cancela el formateo de páginas. Previsualiza la página que se va a imprimir Envía el reporte a la impresora Al presionar el botón un cuadro de dialogo se despliega (ver Figura 6) para imprimir el reporte en la impresora por defecto del sistema.

Figura 2.17. Impresión de los reportes de resultados

Fuente:


La opción rango de impresión le permite al usuario imprimir todo o parte del reporte, determinar el número de copias y permitir el intercalado de páginas. En contraste a otros programas, BISAR 3.0 utiliza signos convencionales de la mecánica de suelos para denotar los esfuerzos y deformaciones. Por lo tanto, el signo negativo (-) corresponde a la compresión y el positivo (+) a la tensión.

2.12.2 Tablas de resultados Las tablas de resultados contienen los resultados de los cálculos realizados por el programa (los mismos que en los reportes). La característica más importante de las tablas de resultados son la posibilidad de visualizar una gran número de resultados y I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


33

la posibilidad de copiarlos por medio del botón Copy to Clipboard (Copiar al portapapeles), y pegarlos en otras aplicaciones tales como hojas de cálculo y programas con aplicaciones gráficas.

Figura 2.18. Tablas de resultados

Fuente:


2.13 MENSAJES DE ERROR Los siguientes mensajes de error se presentan: Esfuerzo Vertical: Carga Vertical: Radio: Coordenada X: Coordenada Y: Coordenada Z Esfuerzo Horizontal: Dirección Cortante: Espesor: Módulo de Elasticidad: Relación de Poisson: Relajamiento Elástico:

El valor del Esfuerzo Vertical debe ser mayor de 0 y menor de 10000 El valor de la Carga Vertical debe ser mayor de 0 y menor de 10000 El valor del Radio debe ser mayor de 0 y menor de 1000 El valor de la Coordenada X debe estar entre -99.9999 y 999.9999 El valor de la Coordenada Y debe estar entre -99.9999 y 999.9999 El valor de la Coordenada Z debe estar entre -99.9999 y 999.9999 El valor del Esfuerzo Horizontal debe estar entre 0 y 9999.999 El valor de la Dirección Cortante debe estar entre 0 y 999.9 El valor del Espesor debe ser mayor de 0 y menor de 100 El valor del Módulo de Elasticidad debe ser mayor de 0 y menor de 1E20 El valor de la Relación de Poisson debe ser mayor de 0 y menor de 1 El valor del Relajamiento Elástico debe estar entre 0 y 1E+10



34

2.14 EJEMPLO DE APLICACIÓN Para implementar el programa BISAR 3.0 se analiza la siguiente estructura de pavimento flexible:


a

P

s q r

Concreto as fáltico

1

B as e g ranular

2



5.6 Kg/cm

10 cm 20 cm

z 3

S ubbas e granular S ubrasante

30 cm z

4

a = 10.8 cm s = 32.4 cm E1 = 2453 MPa µ1 = 0.35 E2 = 589 MPa µ2 = 0.40 E3 = 157 MPa µ3 = 0.40 E4 = 39 MPa µ4 = 0.50


SOLUCION Se entra al programa BISAR 3.0 y se escoge la opción de un archivo nuevo. (Project – new) y posteriormente se entra la información correspondiente a las cargas, la estructura y las posiciones donde se desea calcular los parámetros, tal como se indica en la descripción de los siguientes módulos. 

MODULO DE CARGAS

La información de las cargas se entra al programa tal como se indica en la Figura 2.20. -

Presión de contacto: 549 KPa

-

Radio de carga: 0.108 m

-

Distancia del eje del sistema al eje de la carga: 0.162 m para la carga derecha y -0.162 m para la carga izquierda, de manera que se entra la coordenada Y de la ubicación de las cargas del sistema.



35

Figura 2.20. Pantalla principal para la entrada de datos en BISAR 3.0

Fuente:


Una vez ingresada la información se grava el archivo de cargas con un nombre en la casilla Save. 

MODULO DE LA ESTRUCTURA

Entrada de las capas de la estructura y sus características. Se inicia haciendo clic en la pestaña Layers de la Figura 2.20 y se despliega la pantalla de la Figura 2.21, se ingresan los datos de número de capas, espesores de las capas, módulos de elasticidad, relación de Poisson y se especifica si hay fricción total entre capas. Luego se grava el archivo de capas con un nombre en la casilla Save (ver Figura 2.21).



36

Figura 2.21. Entrada de las capas de la estructura y sus características

Fuente:




MODULO DE LAS POSICIONES DONDE SE DESEA CALCULAR LOS PARAMETROS

Entrada de las posiciones donde se desea calcular los parámetros. Se hace clic sobre la pestaña Positions de la Figura 2.20 y se despliega la pantalla donde se introducen las coordenadas de los puntos donde se desea calcular los parámetros (ver Figura 2.22). Se selecciona el número de posiciones (máximo diez), luego se introducen las coordenadas X, Y, Z de cada punto de análisis según las consideraciones del análisis y se grava el archivo con un nombre en la casilla Save, de esta manera queda gravado el archivo que contiene las posiciones donde se desea calcular los parámetros de la estructura del pavimento en estudio.



37

Figura 2.22. Entrada de las posiciones de análisis

Fuente:




MODULO DE RESULTADOS

Resultados del programa BISAR 3.0. Se hace clic en la casilla de resultados (Results) y aparece Calculate F5, se hace clic sobre ella y aparece el mensaje de gravar el proyecto antes de hacer los cálculos. Al seleccionar que sí desea gravar, entonces pide el nombre del proyecto, se le da un nombre y OK. Aparece la pantalla de reportes y seleccionamos la opción, Block Report, Reporte en bloque, que presenta el resumen de todos los cálculos realizados, referentes a esfuerzos, deformaciones y deflexiones. Dependiendo del tipo de estudio que se este realizando se puede usar el reporte detallado. Inmediatamente aparece el reporte de BISAR 3.0, para el sistema número 1 considerado en el diseño del la estructura de pavimento.



38

Figura 2.23 Reporte de resultados

Fuente:


Reportes de salida. Tiene dos tipos de salida de datos, un reporte detallado y un reporte resumen que proporciona una visión general de los resultados, tanto de esfuerzos, deformaciones y deflexiones. Tanto el reporte en bloque como el detallado presentan los resultados por tabla, que copia los resultados seleccionados al portapapeles, para que ellos puedan pegarse en otra aplicación, por ejemplo, copiando los resultados y pegándolos en una hoja de cálculo. El reporte en bloque tiene tres partes, la primera contiene los datos de entrada de la estructura. La segunda la entrada de las cargas y la tercera los resultados. La tercera parte del reporte en bloque, contiene los siguientes elementos: - Número de las posiciones de análisis - Número de la posición de análisis - Las coordenadas X, Y, Z de las posiciones de análisis, en metros - Los esfuerzos: radial, tangencial y vertical, en MPa - Las deformaciones radial, tangencial y vertical en µstrain 2 - Los desplazamientos en sentido radial, tangencial y vertical o deflexión, en µm (micrómetros) - Para mayores detalles es necesario revisar el formato de salida del reporte en detalle - El reporte de resultados se puede imprimir haciendo clic en el icono que se encuentra tanto en el reporte en bloque como en el detallado (ver Cuadro 2.1)

2

µstrain = 10-6m/m



Cuadro 2.1 Reporte de salida del programa BISAR 3.0


39


40

Cuadro 2.2. Valores de los parámetros principales en la evaluación de estructuras de pavimento flexible, obtenidos con el programa BISAR 3.0 Puntos principales Deformación radial de tracción en la base de la capa asfáltica Deformación vertical de compresión sobre la subrasante Esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante (MPa) Deflexión, (mm)

BISAR 3.0 1.519х10-4 3.267х10-4

0.01435 0.5484

Fuente: Elaboración propia. 1 MPa = 10.2 Kg/cm2.

Comparación de resultados con otros programas de cálculo. Usando la misma estructura de pavimento flexible que se indica en el Figura 2.19 se determinan los valores de los parámetros de diseño por medio de los programas EVERSTRESS, DEPAV y BISAR, tal como se indica en el Cuadro 2.3. Cuadro 2.3. Valores de los parámetros principales en la evaluación de estructuras de pavimento flexible, obtenidos con los programas EVERSTRESS, DEPAV y BISAR Puntos principales

EVERSTRESS

DEPAV

BISAR 3.0

1.518х10-4

1.520х10-4

1.519х10-4

3.266х10-4

3.260х10-4

3.267х10-4

Esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante, δZ (Kg/cm2)

0.1463

0.1468

0.1464

Deflexión, ∆ (mm)

0.548

0.537

0.548

Deformación radial de tracción en la base de la capa asfáltica, ξr Deformación vertical de compresión sobre la subrasante, ξz


Los resultados que se presentan en el Cuadro 2.3, obtenidos por medio de los tres programas de cálculo, son prácticamente los mismos, por lo tanto utilizar uno u otro programa de cálculo es igual, lo importante es la interpretación de los resultados I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


41

obtenidos y su correcta aplicación para el diseño de las estructuras de pavimento flexible

2.15 BIBLIOGRAFIA CAMARGO JIMENEZ, Edy Alexander. Análisis de sensibilidad de los parámetros de diseño en estructuras de pavimentos flexibles. Tesis de grado. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2006. Departamento de Transporte del Estado de Washington - WSDOT. Pavement guide. Programa EVERSERIES, Módulo EVERSTRESS: Washington; 1995. 15p. (vol. 3) HIGUERA SANDOVAL, Carlos Hernando. Nociones sobre métodos de diseño de estructuras de pavimento para carreteras. Guías de clase. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2006. -------. Nociones sobre evaluación y rehabilitación de pavimentos métodos de diseño de estructuras de pavimento. Guías de clase. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2006. -------. Mecánica de pavimento. Guías de clase. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2007. HUANG, Yang H. Pavement analysis and design. Segunda edición. 2004. RINCON OCHOA, GIOVANNI Edgar y PIRAGAUTA MONTAÑA, Wilson Alexander. Implementación del modelo computacional de la Shell para el diseño y evaluación de pavimentos flexibles. Tesis de grado. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2007. Shell International Petroleum Company Limited. Programa BISAR 3.0. Londres, 1998.

2.16 TALLER DE APLICACIÓN Para las estructuras de pavimento flexible, mostradas en las Figuras 2.24 y 2.25, determinar los valores de los siguientes parámetros de diseño y comparar sus magnitudes con las obtenidas por medio del programa EVERSTRESS, DEPAV y BISAR. Deducir conclusiones. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


   

42

Deformación radial de tracción en la base de la capa asfáltica Deformación vertical de compresión sobre la subrasante Esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante Deflexión del modelo estructural en la superficie


a

P

s q

5.6 Kg/cm

r


a = 10.8 cm s = 32.4 cm

2



E1 = 20000 Kg/cm 2 µ1 = 0.35 E2 = 5000 Kg/cm 2 µ2 = 0.40

10 cm

1

B as e g ranular

20 cm z

3

S ubbas e granular S ubrasante

E3 = 1500 Kg/cm 2 µ3 = 0.40

35 cm

E4 = 300 Kg/cm 2 µ4 = 0.50

z

4



a = 15.27 cm

4100 Kg

a q



5.60 Kg/cm

2


12 cm

E1 = 3000 MPa µ1 = 0.35

B as e gr anular

15 cm

E2 = 450 MPa µ2 = 0.40

S ubbas e granular

25 cm

E3 = 200 MPa µ3 = 0.40

S ubrasante Fuente: Elaboración propia. . Archivo: MANUAL BISAR CHHS


E4 = 40 MPa µ4 = 0.50


43

CAPITULO 3 MANUAL DEL USUARIO DEL PROGRAMA EVERSTRESS3 3.1 GENERALIDADES El programa EVERSTRESS es un módulo del programa EVERSERIES desarrollado por el Departamento de Transporte del Estado de Washington de los Estados Unidos - WSDOT, para el diseño, evaluación y rehabilitación de pavimentos flexibles. El programa EVERSERIES tiene tres módulos, los cuales son: EVERSTRESS, EVERCALC y EVERPAVE. El módulo EVERPAVE es usado para el diseño de estructuras de pavimento nuevas, el módulo EVERCALC permite determinar mediante la técnica del retrocálculo los módulos dinámicos de las diferentes capas de un modelo estructural de pavimento existente y se usa en la rehabilitación de pavimentos, diseñando espesores de refuerzo. El módulo EVERSTRESS, se utiliza para calcular esfuerzos, deformaciones y deflexiones en un modelo estructural de pavimentos. El módulo considera las cargas que actúan en una superficie circular y puede analizar modelos estructurales hasta de cinco capas, veinte cargas y cincuenta puntos de evaluación. Las cargas se asumen estáticas de un eje estándar y los datos de entrada son los siguientes: la magnitud de la carga (P), la presión de contacto (q), el radio de carga (a) y la posición de la aplicación de la carga; los valores de los anteriores valores deben ser definidos para cada rueda considerada del eje en estudio. El módulo de elasticidad (E), la relación de Poisson ( ) y los espesores (h) deben ser definidos para cada capa del modelo estructural.

3.2 MANUAL DEL USUARIO 3.2.1 Menú FILE (carpeta de órdenes). El menú principal controla los datos de entrada, el análisis de la estructura del pavimento y las salidas del programa. El menú está conformado por los siguientes comandos: Estados Unidos. Departamento de Transporte del Estado de Washington. EVERSTRESS: WSDOT pavement guide. Washington; 1995.15p. (volumen 3) 3



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Prepare Input Data. Este comando proporciona la manera de crear un archivo con los datos de entrada o editar un archivo existente. El archivo de datos de entrada contiene información de las capas, de las cargas y de los puntos de evaluación de parámetros. Analyze Pavement. Este comando ejecuta el análisis de la estructura del pavimento y requiere un archivo de datos de entrada. Print / View Output . Este comando permite al usuario ver los datos de salida en pantalla y opcionalmente imprimir los resultados. 3.2.2 Prepare Input Data File. Los datos de entrada al programa se presentan en Layer Data, Load / Evaluation Locations y Unid Weight. 3.2.2.1 Layer Data. Se refiere a los datos de cada una de las capas. Title. Texto para identificar el proyecto en estudio. NO of Layers. Número total de capas en la estructura de pavimento (máximo cinco). Units. Unidades de medida, métricas o el sistema ingles. Layer Information. La información de las capas es la siguiente: - NO – Layer number. La capa superior es designada como la número uno y se procede consecutivamente. Layer ID. Identifica tanto el módulo de la capa, como la sensibilidad del esfuerzo, así:

0: Si el módulo es insensible al esfuerzo en el material de la capa asfáltica 1: Si el esfuerzo bulk varia con el módulo (en suelos granulares) 2: Si el esfuerzo desviador varia con el módulo (en suelos granulares finos) 4. - Poisson´s Ratio. Entre la relación de Poisson ( ) para cada capa. - Thickness. Entre el espesor de cada capa (h) en centímetros o pulgadas. - Moduli. Entre el módulo dinámico de cada capa (E). Si la capa presenta sensibilidad al esfuerzo, este deberá ser usado como módulo inicial y el programa calculará un esfuerzo compatible en MPa o Ksi. 4

Los esfuerzos bulk y desviador incluyen el esfuerzo estático (sobrecarga)



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- Multiplier. Si la capa presenta sensibilidad al esfuerzo, se usan los coeficientes de regresión multiplicadores descritos en ID. - Power. Si la capa presenta sensibilidad al esfuerzo, use los coeficientes de regresión K2 o K4.

Max. Iteration. Si alguna de las capas es sensible al esfuerzo, el máximo número de iteraciones admisibles para obtener el esfuerzo compatible con el módulo es de 5, valor usado típicamente. Modulus Tol (%).Si alguna de las capas es sensible al esfuerzo, el porcentaje de tolerancia para el módulo en las siguientes iteraciones es de 10, valor usado típicamente. Save. Permite guardar los datos de entrada bajo un nombre. Save As. Para guardar los datos de entrada del archivo actual con otro nombre. 3.2.2.2 Load / Evaluation Locations. Las cargas, evaluación y localización. No of Loads. El número de cargas aplicadas a la estructura de pavimento, máximo veinte (20). NO of X – Y Evaluation Points . Número de puntos a evaluar en las coordenadas X-Y (máximo cincuenta). Cada punto X - Y puede tener hasta cinco puntos en la dirección Z, es posible usar el próximo punto de evaluación con las mismas coordenadas X-Y. X – Position. Coordenada X de la carga o punto de evaluación en centímetros o pulgadas. Y – Position. Coordenada Y de la carga o punto de evaluación en centímetros o pulgadas. Z – Position. Coordenada Z del punto a evaluar en centímetros o pulgadas. Load. Magnitud de la carga en newton o libras. Presure. Presión de contacto de la carga aplicada en KPa o psi. Radius. Radio del área cargada. Solo se colocan dos de los tres anteriores (Load, Presure, Radius).



46

3.2.2.3 Unid Weight. Las unidades de peso de cada material es requerida, si en alguna de las capas el esfuerzo es sensible al módulo, para el calculo de la presión de sobrecarga el programa provee valores por defecto. 3.2.3 ANALYZE PAVEMENT. El programa dispone de un archivo con los datos de entrada y un archivo con los datos de salida. El análisis es ejecutado en formato DOS (Disk Operating System). 3.2.4 PRINT / VIEW RESULTS. El usuario puede manipular con las flechas del teclado, para desplazarse sobre los resultados de las páginas individuales. Print. Comando para imprimir los datos de los resultados. Select Screen Fond. Permite seleccionar la tonalidad, para mostrar los datos de salida. Esta fuente es guardada como fuente por defecto al realizar un cambio. Select Print Fond. Permite seleccionar la tonalidad para la impresión. Esta fuente de tonalidad también es guardada como fuente por defecto. Select Screen Color . Permite seleccionar el color del texto y el color de la pantalla para los datos de salida. Estos colores son guardados como colores por defecto. Output Description. La mayoría de los datos de salida son por si mismo explicativos, excepto los siguientes: Stresses. Esfuerzos debidos a la carga(s), no incluye los componentes de sobrecarga. Strains. Deformaciones que no incluyen los componentes estáticos (sobrecarga). Moduli (1). Módulo especificado en los datos de entrada. Moduli (2). Esfuerzo compatible con el esfuerzo calculado (solo para materiales sensibles al esfuerzo). Maximum Error in Modulus. Máximo error en el módulo calculado (compatible con el esfuerzo) en el fin de las iteraciones. Sxx, Syy, Szz, Sxy, Sxz, Syx. Esfuerzos normales en las direcciones X, Y, Z. Exx, Eyy, Ezz. Deformaciones normales en las direcciones X, Y, Z. Ux, Uy, Uz. Deflexiones en las direcciones X, Y, Z. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


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S1, S2, S3. Esfuerzos principales. E1, E2, E3. Deformaciones principales. 3.2.5 Ejecución del programa. Como nota general, guarde el archivo en EVERSTRESS, usando la extensión designada por el programa. El programa pregunta los archivos requeridos según su la extensión. Ahorrará tiempo al usuario si el protocolo de extensión del programa se sigue. Figura 3.1. Pantalla de inicio del EVERSTRESS

Fuente: WASHINGTON STATE DEPARTMENT OF TRANSPORTATION. EVERSTRESS [programa de computador] Washington, febrero 1995.

Se inicia dando doble clic en el icono EVERSTRESS, aparece la pantalla de la Figura 3.1 y se presiona OK. Para iniciar el análisis, seleccione File y luego Prepare Input Data, apareciendo la Figura 3.2. Inicie por entrar el título del trabajo, número de capas, tipo de unidades y los datos de las capas. Una vez ingresados los datos, se entra a Load & Evaluations (ver Figura 3.3). Esta pantalla requiere el número de cargas, el número de puntos a evaluar con coordenadas X, Y, la localización en X, Y de cada carga y puntos a evaluar. Las coordenadas en Z son determinadas por defecto en la parte baja de la capa asfáltica, en la mitad de la capa de base y en la parte superior de la subrasante. Se debe restar 0.001 al espesor de la capa 1 y sumar 0.001 a la capa que se apoya en la subrasante. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


48

Figura 3.2. Datos de entrada del programa EVERSTRESS


Figura 3.3. Cargas y puntos a evaluar en EVERSTRESS

Fuente: WASHINGTON STATE DEPARTMENT OF TRANSPORTATION. EVERSTRESS [programa de computador] Washington, febrero 1995. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


49

Una vez entrados los datos se selecciona Exit, para retornar a la pantalla de datos de entrada. Para hacer cambios en los valores de peso de cada material, que vienen por defecto, seleccione Change Default Unit Weight (ver Figura 3.4). Después de entrados todos los datos, se guardan en un archivo, seleccionando File y luego Save, entre el nombre del archivo (use la misma extensión) y seleccione OK.

Figura 3.4. Pantalla para cambiar valores de peso de los materiales


Para analizar los datos seleccione File y luego Analyze Pavement, el programa preguntará al usuario que seleccione el nombre del archivo de datos de entrada, si los datos han sido guardados usando el protocolo EVERSTRESS, el nombre del archivo estará en pantalla. El programa creará automáticamente el nombre del archivo de salida con extensión “OUT”; si esto es correcto seleccione OK. El programa iniciará el análisis e informará que los datos están en proceso. Para ver o imprimir los resultados, seleccione File y luego Print / View Results. El computador preguntará al usuario que seleccione el nombre del archivo de los datos de salida a ser presentados. Seleccione el archivo dando doble clic en el nombre, el archivo será mostrado en pantalla. Para imprimir el archivo seleccione Options y Print. Para retornar a la pantalla principal seleccione Options y Exit. Para salir del programa EVERSTRESS, seleccione File y luego Exit. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


50

3.2.6. Ejemplo de aplicación. Para implementar el programa EVERSTRESS se analiza la siguiente estructura de pavimento flexible: Figura 3.5 Modelo estructural de un pavimento flexible P

a

P

s q r

Concreto asfáltico

1

Base granular

2



5.6 Kg/cm

a = 10.8 cm s = 32.4 cm

10 cm

E1 = 2453 MPa µ1 = 0.35

20 cm

E2 = 589 MPa µ2 = 0.40

30 cm

E3 = 157 MPa µ3 = 0.40

z

3

Subbase gr anular

Subrasante

z

4

E4 = 39 MPa µ4 = 0.50


Solución: Los datos del programa se ingresan tal como se indica en las Figuras 3.1, 3.2, 3.3 y 3.4, mostradas anteriormente. De acuerdo a los cálculos desarrollados por el programa EVERSTRESS los valores de los parámetros de los esfuerzos, deformaciones y deflexiones se presentan en el formato de salida del programa, tal como se indica en el Cuadro 3.1. En el Cuadro 3.2 se indican los valores de los parámetros que se utilizan para el diseño de las estructuras de pavimento flexible, de manera de poder analizar los criterios de diseño, tal como es la fatiga, la deformación o ahuellamiento y la deflexión de un modelo estructural. Los puntos principales de análisis de un modelo estructural son: la deformación radial por tracción en la base de la capa superior o capa asfáltica (bajo una de las llantas), (ξr), la deformación vertical de compresión sobre la subrasante (ε z), el esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante (σZ) y la deflexión en la superficie de la capa superior (∆).



51

Cuadro 3.1 Reporte de salida del programa EVERSTRESS

Fuente: WASHINGTON STATE DEPARTMENT OF TRANSPORTATION. EVERSTRESS [programa de computador] Washington, febrero 1995. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


52

Cuadro 3.2. Valores de los parámetros principales en la evaluación de estructuras de pavimento flexible, obtenidos con el programa EVERSTRESS. Puntos principales

EVERSTRESS

Deformación radial de tracción en la base de la capa asfáltica, Exx Deformación vertical de compresión sobre la subrasante, Ezz Esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante, Szz (kPa) Deflexión, Uz (mm)

1.518х10-4 3.266х10-4

14.35 0.548

Fuente: Elaboración propia. 1 Kg/cm 2 =98.1 KPa.

3.2.7 Comparación de resultados con otros programas de cálculo. Usando la misma estructura de pavimento flexible que se indica en la Figura 3.5 se determinan los valores de los parámetros de diseño por medio de los programas EVERSTRESS, DEPAV y BISAR, tal como se indica en el Cuadro 3.3 Cuadro 3.3. Valores de los parámetros principales en la evaluación de estructuras de pavimento flexible, obtenidos con los programas EVERSTRESS, DEPAV y BISAR Puntos principales

EVERSTRESS

DEPAV

BISAR 3.0

Deformación radial de tracción en la base de la capa

1.518х10-4

1.520х10-4

1.519х10-4

3.266х10-4

3.260х10-4

3.267х10-4

0.1463

0.1468

0.1464

0.548

0.537

0.548

asfáltica, ξ r

Deformación vertical de compresión sobre la subrasante, ξz

Esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante, δZ (Kg/cm2) Deflexión, ∆ ( mm) Fuente: Elaboración propia.



53

Los resultados que se presentan en el Cuadro 3.2, obtenidos por medio de los tres programas de cálculo, son prácticamente los mismos, por lo tanto utilizar uno u otro programa de cálculo es igual, lo importante es la interpretación de los resultados obtenidos y su correcta aplicación para el diseño de las estructuras de pavimento flexible

3.3 BIBLIOGRAFIA AASHTO: American Association of State Highway Transportation Official. CAMARGO JIMENEZ, Edy Alexander. Análisis de sensibilidad de los parámetros de diseño en estructuras de pavimentos flexibles. Tesis de grado. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2006. Departamento de Transporte del Estado de Washington - WSDOT. Pavement guide. Programa EVERSERIES, Módulo EVERSTRESS: Washington; 1995. 15p. (vol. 3) HIGUERA SANDOVAL, Carlos Hernando. Nociones sobre métodos de diseño de estructuras de pavimento para carreteras. Guías de clase. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2006. -------. Nociones sobre evaluación y rehabilitación de pavimentos métodos de diseño de estructuras de pavimento. Guías de clase. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2006. -------. Mecánica de pavimento. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2007. HUANG, Yang H. Pavement analysis and design. Segunda edición. 2004.

3.4 TALLER DE APLICACIÓN Para las estructuras de pavimento flexible, mostradas en las Figuras 3.6 y 3.7, determinar los valores de los siguientes parámetros de diseño y comparar sus magnitudes con las obtenidas por medio del programa EVERSTRESS, DEPAV y BISAR. Deducir conclusiones.    




54


a

P

s q

5.6 Kg/cm

r

Concreto asfáltico

a = 10.8 cm s = 32.4 cm

2



1

Base granular

10 cm

E1 = 20000 Kg/cm2 µ1 = 0.35

20 cm

E2 = 5000 Kg/cm2 µ2 = 0.40

35 cm

E3 = 1500 Kg/cm2 µ3 = 0.40

z

3

Subbase gr anular

Subrasante

E4 = 300 Kg/cm2 µ4 = 0.50

z

4



a = 15.27 cm

a

4100 Kg

q



5.60 Kg/cm

2

Concreto asfáltico

12 cm

E1 = 3000 MPa µ1 = 0.35

Base granular

15 cm

E2 = 450 MPa µ2 = 0.40

25 cm

E3 = 200 MPa µ3 = 0.40

Subbase granular

Subrasante

Fuente: Elaboración propia. . Archivo: manual EVERSTRESS-CHHS


E4 = 40 MPa µ4 = 0.50


55

CAPITULO 4 MANUAL DEL USUARIO DEL PROGRAMA CEDEM 4.1 FUNDAMENTO TEORICO DEL PROGRAMA El programa CEDEM fue creado y diseñado por: Jairo A. Delgado E. Ing. Civil, MSc. Universidad de los Andes, Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental El programa CEDEM calcula los esfuerzos y las deformaciones máximas producidos por una rueda doble colocada en la superficie de un sistema elástico multicapa, constituido por dos, tres, cuatro, cinco o seis capas, caracterizadas por el espesor, el módulo dinámico y la relación de Poisson. Además, calcula la deflexión y el radio de curvatura al centro de la rueda doble.

Cuadro 4.1 Variables utilizadas por el programa CEDEM Variable

Descripción Unidades Distancia de separación entre ejes de D (m) llantas Presión de contacto ejercida por las q (MPa) ruedas a Radio de la carga (m) Ei Modulo dinámico de la capa i (MPa) Relación de Poisson de la capa i () i Hi Espesor de la capa i (m) Para cada capa se debe especificar la condición de frontera con la capa inferior como Ligada o No ligada Fuente: Elaboración propia. 4.2 ESPECIFICACIONES TECNICAS DEL PROGRAMA El programa contiene cuatro iconos principales: 

Archivo: En el cual están las opciones para crear un proyecto nuevo, buscar un proyecto existente, guardar y salir.



56



Datos: Se refiere a los datos principales de la estructura: Titulo del diseño e Información de la estructura.



Calcular: Da la orden de realizar los cálculos.



Ayuda: Hace referencia acerca del programa.

4.3 MANUAL DEL USUARIO 4.3.1 Instalación del programa. Para la instalación del programa CEDEM siga las siguientes instrucciones: Coloque el CD de la aplicación CEDEM en su unidad CD-ROM. Nota: Se recomienda que al seleccionar la unidad y el directorio en el que instalará el programa, se cree un nuevo directorio o sub-directorio llamado CEDEM, para que allí sean instalados todos los componentes del programa.



Abra el Explorador de Windows y seleccione la unidad de CD-ROM. Haga doble click sobre el icono



57



En la pantalla de instalación del CEDEM, damos un click en la opción Extract.



Sale una ventana donde se confirma que la operación se completo satisfactoriamente y le damos Aceptar.



Luego sale en la pantalla el siguiente cuadro en el cual damos un click en OK.



58



Damos un click en el botón de instalación del software CEDEM. esperamos que la instalación halla sido completada.



Aparece el la pantalla la ventana que confirma que el programa ha sido instalado.


y




59

Se espera a que se complete el proceso.

4.4 PROCEDIMIENTO PARA INGRESAR LOS DATOS DE UNA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO FLEXIBLE  Se busca el programa en la dirección que le dimos inicialmente.  Inmediatamente aparece abierta la pestaña Datos en la cual ingresamos el número total de capas de la estructura y el nombre del diseño o proyecto.



60

Esta ventana explica las definiciones de los parámetros necesarios para utilizar el programa. 

Se hace click en la pestaña de Información de la Estructura en donde introducimos los parámetros principales y características de la estructura.



61

Para ingresar los datos se debe tener en cuenta las unidades con las cuales trabaja el programa: - Radio de carga, en metros. - Presión de contacto, en MPa. - Distancia entre ejes de llantas, en metros. - Modulo resiliente o dinámico, en MPa. - Espesor de las capas, en metros. Luego de introducir los datos damos clic en Calcular y el programa se encarga de realizar las operaciones internamente.  A continuación se hace click en la pestaña Resultados. 



62

Finalmente, se obtiene el reporte con las deformaciones, esfuerzos, deflexión y radio de curvatura de la estructura en estudio.

Nota: No olvide que con este programa se puede calcular estructuras de pavimento hasta de seis capas.

4.5 EJEMPLO DE APLICACIÓN Calcular los esfuerzos, deformaciones y deflexiones del siguiente modelo estructural:



63


a

P

s

q



r

1

Concreto asfáltico Base gr anular

0.549 MPa

0.08 m 0.15 m

a = 0.10.8 m s = 0.324 m E1 = 3200 MPa µ1 = 0.35 E2 = 800 MPa µ2 = 0.40

z

3

Subbase granular

0.25 m

E4 = 60 MPa µ4 = 0.50

z

Subrasante

E3 = 200 MPa µ3 = 0.40

4


4.5.1 Modelación de la estructura con el programa CEDEM La estructura a modelar mediante la utilización del programa CEDEM requiere de los siguientes parámetros:



Número de capas = 4 Presión de contacto q = 0.549 MPa Radio de carga a = 0.108 m Distancia entre ejes de llantas s = 0.324 m



Características de las capas de la estructura – Alternativa Nº 1

  

Nº de Capa 1 2 3 4

Módulo Resiliente, MPa 3200 800 200 60

Relación de Poisson, μ

0.35 0.40 0.40 0.50

Espesor de la capa, m 0.08 0.15 0.25

Ligada / No ligada L L L

Una vez introducidos todos los datos se corre el programa CEDEM y se obtiene los valores de servicio de los parámetros. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


64

Deformación radial de tracción en la base de la capa asfáltica, εr 1 = -124*10-6 Deformación vertical de compresión sobre la subrasante, εz4 = 343*10-6  Esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante, σZ4 = 0.0236 MPa   Deflexión, Δ = 45.05 mm/100  Radio de curvatura, Rc = 224.48 m 

4.5.2 Modelación de la estructura mediante el programa DEPAV La estructura a modelar mediante el programa DEPAV requiere de los siguientes parámetros:  

Número de capas = 4 Radio de carga a =10.8 cm



65



Presión de contacto q = 5.60 kg/cm² Distancia entre ejes de llantas s =32.40 cm.



Características de las capas de la estructura



Nº de Capa 1 2 3 4

Módulo Resiliente, kg/cm² 32640 8160 2040 612


Espesor de la capa, cm

0.35 0.40 0.40 0.50

8 15 25


RESULTADOS: Posición del valor máximo para una carga:

A…Bajo una rueda simple B… Bajo una de las llantas de la rueda do ble C… Al centro d la rueda doble Capa Nº 1 2 3 4

Z (cm)

σ T kg/cm² 0.00 2.0700E-04 B 1.2644E+01 B 8.00 -1.2400E-04 B -4.2114E+00 A 8.00 -1.2400E-04 B 5.1087E-01 B 23.00 -2.1800E-04 C -2.0700E-00 C 23.00 -2.1800E-04 C -1.7335E-01 C 48.00 -1.8700E-04 C -4.4459E-01 C 48.00 -1.8700E-04 C 2.4269E-02 C Deflexión = 45.060 mm/100 Radio de Curvatura = 224.480 m. ε T

ε z

-1.0700E-04 C 1.8500E-04 A 3.3200E-04 A 2.6800E-04 B 3.9000E-04 B 2.8300E-04 C 3.4300E-04 C

σ z

kg/cm² 5.5982E+00 A 3.1305E+00 B 3.1305E+00 B 7.1175E-01 B 7.1175E-01 B 2.4065E-01 C 2.4065E-01 C

A continuación se presenta el valor de los parámetros obtenidos del programa DEPAV de la Universidad del Cauca: Deformación radial de tracción en la base de la capa asfáltica, εr 1 = -1.24*10-4  Deformación vertical de compresión sobre la subrasante, εz4 = 3.43*10-4 Esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante, σz4 = 2.4065*10-1  Kgr/cm².  Deflexión, Δ = 45.06 mm/100 



66

4.5.3 Modelación de la estructura mediante el programa BISAR 3.0 La estructura a modelar mediante la utilización del programa BISAR 3.0 de la Shell requiere de los siguientes parámetros:



Número de capas = 4 Presión de contacto q = 549.36 KPa Radio de Carga a = 0.108 m Distancia entre ejes de llantas s = 0.324 m Coordenada en Y = 0.162 m




   

Nº de Capa 1 2 3 4



0.35 0.40 0.40 0.50

Espesor de la capa, m 0.08 0.15 0.25


A continuación se presenta el valor de los parámetros obtenidos del progra ma BISAR 3.0 de la Shell: Deformación radial de tracción en la base de la capa asfáltica, εr 1 = 1.242*10+2 µstrain Deformación vertical de compresión sobre la subrasante, εz4 = -3.427*10+2  µstrain Esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante, σz4 = -2.356*10-2 MPa.  +2 µm  Deflexión, Δ = 4.582*10 

4.5.4 Modelación de la estructura mediante el programa EVERSTRESS La estructura a modelar mediante el programa EVERSTRESS requiere de los siguientes parámetros: 

Número de capas = 4



Radio de Carga a = 10.8 cm



Presión de contacto q = 5.6 Kg/cm²



Cuadro 4.2. Reporte de salida del programa BISAR 3-0


67




68


Nº de Capa 1 2 3 4



0.35 0.40 0.40 0.50

Espesor de la capa, cm 8 15 25


A continuación se presenta el valor de los parámetros obtenidos del programa EVERSTRESS: (Ver Cuadro 4.3) Deformación radial de tracción en la base de la capa asfáltica, εr 1 = -124*10-6  Deformación vertical de compresión sobre la subrasante, εz4 = 342.20*10-6 Esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante, σz4 = 23.55 KPa.   Deflexión, Δ = 458.17 microns. 

4.6 CUADRO COMPARATIVO DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS POR LOS DIFERENTES PROGRAMAS DE CALCULO En el siguiente cuadro se presenta los resultados de los parámetros de diseño de una estructura de pavimento flexible determinados por diferentes programas de cálculo.

Cuadro 4.4 Parámetros de diseño: Deformaciones, esfuerzos y deflexión PARAMETRO εr 1 εz4 σz4 (kg/cm²) Δ (mm)

CEDEM 1.24*10 -4 3.43*10 -4 0.241 0.4505

PROGRAMA DE CALCULO DEPAV BISAR 3.0 -4 1.24*10 1.24*10 -4 3.43*10 -4 3.43*10 -4 0.2416 0.240 0.4506 0.4582

EVERSTRESS 1.24*10 -4 3.42*10 -4 0.240 0.4582

Los resultados de las deformaciones, esfuerzos y deflexión obtenidos de los diferentes programas para el modelo estructural de diseño planteado son iguales por lo cual podemos afirmar que el programa CEDEM es eficiente y confiable para utilizarlo en estudios de diseño de pavimentos.



Cuadro 4.3 Reporte de salida del programa EVERSTRESS


69


70

4.7 CONCLUSIONES Y COMENTARIOS La metodología de utilización del programa CEDEM es muy sencilla, se requieren los parámetros iniciales como son: el número de capas de la estructura, el radio de carga, la presión de contacto y separación entre ejes y las características de cada capa como son: el módulo resiliente (MPa), la relación de Poisson y el espesor de las capas (m). El programa CEDEM se limita exclusivamente a hallar los datos específicos que se requieren para el chequeo de una estructura de pavimento flexible, como son la deformación radial de tracción en la base de la capa asfáltica, la deformación de compresión sobre la subrasante, el esfuerzo vertical de compresión sobre la subrasante y la deflexión del modelo estructural.

4.8 BIBLIOGRAFIA AASHTO: American Association of State Highway Transportation Official. CAMARGO JIMENEZ, Edy Alexander. Análisis de sensibilidad de los parámetros de diseño en estructuras de pavimentos flexibles. Tesis de grado. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2006. DELGADO E, Jairo A. Programa CEDEM. Cálculo de Esfuerzos y Deformaciones en Estructura Multicapa. Universidad de los Andes. Bogotá. Departamento de Transporte del Estado de Washington - WSDOT. Pavement guide. Programa EVERSERIES, Módulo EVERSTRESS: Washington; 1995. 15p. (vol. 3) HIGUERA SANDOVAL, Carlos Hernando. Nociones sobre métodos de diseño de estructuras de pavimento para carreteras. Guías de clase. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2006. -------. Nociones sobre evaluación y rehabilitación de pavimentos métodos de diseño de estructuras de pavimento. Guías de clase. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2006. -------. Mecánica de pavimento. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2007. HUANG, Yang H. Pavement analysis and design. Segunda edición. 2004. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


71

4.9 TALLER DE APLICACIÓN Para las estructuras de pavimento flexible, mostradas en las Figuras 4.2 y 4.3, determinar los valores de los siguientes parámetros de diseño y comparar sus magnitudes con las obtenidas por medio de los programas CEDEM, EVERSTRESS, DEPAV y BISAR. Deducir conclusiones.    



a

P

s q

5.6 Kg/cm

r

Concreto asfáltico

a = 10.8 cm s = 32.4 cm

2



1

Base granular

10 cm

E1 = 20000 Kg/cm2 µ1 = 0.35

20 cm

E2 = 5000 Kg/cm2 µ2 = 0.40

35 cm

E3 = 1500 Kg/cm2 µ3 = 0.40

z

3

Subbase gr anular

Subrasante

E4 = 300 Kg/cm2 µ4 = 0.50

z

4



a = 15.27 cm

4100 Kg

a q



5.60 Kg/cm

2

Concreto asfáltico

12 cm

E1 = 3000 MPa µ1 = 0.35

Base granular

15 cm

E2 = 450 MPa µ2 = 0.40

25 cm

E3 = 200 MPa µ3 = 0.40

Subbase granular

Subrasante

Fuente: Elaboración propia. . I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.

E4 = 40 MPa µ4 = 0.50


72

CAPITULO 5 MANUAL DEL USUARIO DEL PROGRAMA KENSLABS PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGIDOS5 5.1 PRESENTACION DEL PROGRAMA Haciendo click en el icono del paquete KENPAVE aparece la primera pantalla mostrando el menú general que integra los paquetes KENLAYER y KENSLABS.

Figura 5.1 PANTALLA No. 1 MENÚ PRINCIPAL

Fuente: Programa KENPAVE

Esta pantalla contiene 11 botones, los 3 de la izquierda son para el análisis de pavimentos flexibles y los 5 de la derecha son de uso exclusivo para el análisis de pavimentos rígidos y componen el paquete KENSLAB, su descripción es la siguiente:

SLABINP: Se utiliza para crear la base de datos del problema o para editar las existentes, su aplicación es similar a LAYERINP. 5

Franklin Alberto Borda Alvarez. Implementación del paquete computacional Kenslabs para el análisis de esfuerzos y deflexiones en pavimentos rígidos. Tesis de grado. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2005. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


73

KENSLABS: Se corre después de tener la base de datos, este comando lee la base de datos y empieza la ejecución del problema, durante este proceso se muestran los resultados del análisis en una pantalla de formato block de notas a medida que el programa va resolviendo el problema, si se desea detener el análisis del problema basta con cerrar esta pantalla, esta aplicación es similar a la de KENLAYER. Si la ejecución se detiene de manera imprevista, automáticamente aparece un mensaje de error en la pantalla indicando fallas en la base de datos o falta de espacio para almacenamiento de datos, en el primer caso es necesario corregir la base de datos y en el segundo caso se debe utilizar el botón KENSLAB LARGE RAM en lugar de el botón KENSLAB. KENSLAB LARGE RAM: Se utiliza en lugar de KENSLABS, este comando se aplica para resolver problemas muy grandes con matrices de rigidez hasta de 1’000.000 en dimensión, ya que el botón KENSLAB se limita a matrices máximo de

100.000 en dimensión, es necesario que el computador tenga suficiente RAM para correr este comando.

SGRAPH: Se utiliza para graficar la planta y la sección transversal del pavimento, unida a algunos datos de entrada y otros de salida, después de haber ejecutado el problema, de igual forma trabaja LGRAPH. CONTOUR: Este comando dibuja la línea de esfuerzos o momentos en la dirección X o Y. Para losas que no soportan momentos aplicados externamente, solo dibuja la curva de esfuerzos en las losas cargadas. Cuando las losas soportan momentos externos, lo que se indica con valores diferentes de 0 en los parámetros NNMX y NNMY, dibuja la curva de momentos en ambas direcciones, estas curvas se dibujan solo para los problemas que tengan NPY = 1, NLG = 1 y NPRINT = 0 y son muy útiles en el diseño del acero de refuerzo. Data Path: En esta caja, se indica el directorio donde son almacenados los resultados de los problemas, el programa crea por defecto el directorio C:\KENPAVE\, para crear un nuevo directorio de almacenamiento, basta con crear previamente la carpeta y teniendo la base de datos en SLABINP, se guarda en dicha carpeta con el comando save as, el programa reconocerá automáticamente el nuevo directorio y lo listara en la primera fila. También ofrece la opción de trabajar en la unidad A:\, creando una carpeta y guardando el problema en el disket con el comando save as. File Name: Muestra los archivos que están en el directorio seleccionado por Data Path, todos loa archivos tienen extensión .DAT, estos archivos son las bases de datos creadas con el comando SLABINP y LAYERINP. Se debe tener cuidado en la identificación de los archivos, puesto que KENSLAB no trabaja con archivos creados por LAYERINP. Existen otros archivos creados al ejecutar el problema como los TXT para el reporte de resultados, a los cuales se accede por el comando EDITOR. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


74

EDITOR: Se utiliza para chequear, editar e imprimir los archivos de resultados que genera KENSLABS, también trae algunos parámetros de entrada y salida del programa. EXIT: Se utiliza para salir del programa. Para ilustrar la aplicación y el manejo del paquete KENSLABS, se presentan a continuación 6 ejemplos básicos que hacen uso de todas las herramientas con que cuenta este programa.

5.2 EJEMPLO DE APLICACIÓN Determinar el valor del alabeo de una losa de concreto de 7.62m (25 ft) de longitud, 3.66m (12 ft) de ancho y 203mm (8 in.) de espesor, la cual esta sujeta a una diferencia de temperatura entre sus caras de 11.1 ºC (20 ºF) y se encuentra en contacto full con la subrasante, para los siguientes casos: a) Sobre una fundación liquida o Winkleriana con un K de 54.3 MN/m3 (200pci). b) Sobre una fundación sólida con un módulo elástico de 103 MPa (15000 psi) y una relación de Poisson de 0.4. Primero se dibuja el bosquejo de la losa, como lo muestra la Figura 5.2, debido a la simetría de la losa solo se emplea un cuarto de la misma para este análisis, se divide la losa en elementos finitos mediante una malla que se distribuye con un arreglo xy. Figura 5.2. Bosquejo de la losa


Luego se procede a crear la base de datos, haciendo clic en el botón SLAINP, el cual la abre la segunda pantalla.



75

Figura 5.3 PANTALLA No. 2 MENU DE SLABSINP


Durante le manejo de esta ventana se vera debajo de cada menú una etiqueta, la roja indica que se deben cargar los datos para el respectivo menú o que estos datos se pueden editar, la azul indica que los datos se toman por defecto y no es necesario editarlos, la información general que se maneja en cada comando es la siguiente:

FILE: Crear un base de datos nueva o cargar una existente. GENERAL: Información general sobre los parámetros de calculo para KENSLABS CURLING: Curvatura de la losa, incluye las condiciones de contacto y las brechas. SLAB: Características de la losas y las juntas, dimensiones de la malla de elementos finitos y propiedades del concreto. UNIFORM: Áreas y presiones de contacto uniformemente distribuidas. RAFT: Placa sobre fundación elástica o pavimentos con cargas puntuales. OPTIONAL: Datos opcionales como espesores variables, simetría, información de salida y aspectos sobre las dovelas. FOUNDATION: Características de el tipo de fundación que se esta trabajando. ADJUST: Factores de ajuste por fundación estacional para cada periodo. JOINT: Características de las juntas como la transferencia de cortante y de momento incluyendo información sobre las dovelas. DAMAGE: Módulos de fatiga y de rotura del concreto, volúmenes de trafico para en análisis de deterioro DATA SET (1): Indica que se esta trabajando con los datos del problema número 1. DATA SET (2): Indica que se esta trabajando con los datos del problema número 2, al seleccionar esta opción, se copian los datos del problema número 1, los cuales se I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


76

editan para cargar el segundo problema, KENSLABS permite analizar dos problemas distintos de manera simultanea. El menú se debe trabajar de izquierda a derecha, ya que la información introducida en los menús de la izquierda determina si se aplicaran algunos menús de la derecha. Es necesario crear un archivo nuevo en FILE, de lo contrario el programa no permite acceder a ningún menú. Después de crear un archivo nuevo, vamos al menú GENERAL el cual activa la siguiente pantalla:

Figura 5.4 PANTALLA No. 3 INFORMACION GENERAL


En esta pantalla se titula el trabajo y se introduce la información básica del ejercicio, empezando por el tipo de fundación que se va a trabajar y terminando por el sistema de unidades en que se manejaran los datos, el programa trae algunas opciones activadas por defecto con valor de 1 por que no pueden ser cero como NPY, NLG, NLAYER, NSLAB y NNCK las cuales se pueden editar de acuerdo a las necesidades. En la parte derecha de la pantalla aparecen tres opciones seleccionadas por defecto con un punto negro, como la indica el letrero rojo, las cuales son:

With uniform load: Se activa cuando se tienen cargas uniformes sobre la losa, de lo contrario se selecciona la otra opción. With temperature gradient and/or checking contact: Esta opción es para indicar que se hará un análisis de alabeo aplicando un gradiente de temperatura, por lo cual I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


77

también se controlara las condiciones de contacto de la losa y la subrasante. Si no se toma en cuenta el alabeo de la losa se escoge la otra opción.

With concentrate load: Se selecciona cuando hay cargas concentradas o puntuales sobre la losa, de lo contrario se activa la otra opción. En la parte inferior derecha aparece el botón Print que permite imprimir una copia de la información de ayuda para la pantalla, todos los menús traen esta opción. La etiqueta Data set 1, indica que estos son los datos del problema número 1. Para finalizar se hace click en OK y regresamos a la pantalla No. 2. El programa indicara con un mensaje de error si falta alguna información, el menú CURLING activa la siguiente pantalla:

Figura 5.5 PANTALLA No. 4 ALABEO Y CONDICIONES DE CONTACTO


En esta ventana se editan y colocan los parámetros para caracterizar las condiciones de contacto entre la losa y la subrasante, se aplica una temperatura de alabeo y se coloca su valor, en este caso 20 ºF, como corresponde a las unidades inglesas seleccionadas en la ventana anterior, par finalizar damos OK y regresamos a la pantalla No. 2. El menú SLAB nos lleva a la información de la losa en la siguiente ventana:



78

Figura 5.6 PANTALLA No. 5 INFORMACIÓN DE LA LOSA


El comando arrangement pregunta las dimensiones del arreglo que forma la malla de elementos finitos, en este caso es de 7 filas o nodos en el eje Y, y 7 columnas o nodos en el eje X, como se muestra a continuación.

Figura 5.7 PANTALLA No. 5.1 ARREGLO DE LA LOSA




79

El número máximo de losas que se puede tener es 6, para este caso solo tenemos una, para finalizar se da OK y se regresa a la pantalla No 5. Haciendo click en el comando x-coordinate se abre la siguiente pantalla:

Figura 5.8 PANTALLA No. 5.2 COORDENADAS X DE CADA LOSA


Como se puede ver, tiene una capacidad máxima de 6 losas, con el boton slab 1 se tiene:

Figura 5.9 PANTALLA No. 5.2.1 COORDENADAS X DE LA MALLA PARA LA LOSA 1.



80

Estas son las coordenadas x, para los 7 nodos que se asignaron en este eje, de igual manera se configuran las coordenadas y, para los 7 nodos sobre el eje y. para terminar se da OK. Luego de introducir las coordenadas, volvemos a la pantalla No. 5 y se selecciona el menú properties.

Figura 5.10 PANTALLA No. 5.3 PROPIEDADES DE LAS LOSAS


En esta pantalla se introduce el espesor, la relación de Poisson y el módulo de Young, para cada losa, con OK, se regresa a la pantalla No.5 y finalmente al la No.2

Figura 5.11 PANTALLA N2. 2 MENÚ DE SLABSINP


A diferencia de la primera pantalla, los tres primeros menús tienen una etiqueta roja debajo que dice done, lo que significa que los datos ya han sido cargados y que se pueden editar nuevamente si se desea. Continuando de izquierda derecha, se encuentra el menú Uniform, el cual esta cargado por defecto, debido a que en la pantalla No. 3, se selecciono la opción “sin cargas uniformes” la pantalla de este

menú es:



81

Figura 5.12 PANTALLA No. 6 ÁREAS CARGADAS Y PRESIONES DE CONTACTO


En esta pantalla se introduce para cada grupo de carga el número de cargas uniformes que lo componen, continuando en la pantalla No. 2 tenemos el menú Raft.

Figura 5.13 PANTALLA No. 7 NÚMERO DE FUERZAS CONCENTRADAS Y MOMENTOS


Se aplica cuando existen fuerzas puntuales sobre los nodos o momentos actuando sobre la losa. El menú optional, nos lleva a la siguiente pantalla.



82

Figura 5.14 PANTALLA No. 8 INFORMACIÓN OPCIONAL


Esta pantalla es para complementar los datos del ejercicio, como son espesores adicionales de las losas, brechas, nodos a imprimir, números específicos de algunos nodos y dovelas. En este caso esta activo el comando Node x symmetry.

Figura 5.15 PANTALLA No. 8.1 NÚMERO ESPECIFICO DE LOS NODOS, SOBRE EL EJE DE SIMETRÍA X


Como se muestra en el ejemplo, se coloca los número de los nodos sobre este eje, de igual manera se procede con los números de los nodos sobre el eje y. El menú Foundation activa la siguiente ventana. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


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Figura 5.16 PANTALLA No. 9 CARACTERÍSTICAS DEL TIPO DE FUNDACIÓN


En este caso se introducen los datos de la fundación liquida, para cada tipo de fundación aparece un formulario. El menú Adjust nos lleva a la siguiente pantalla:

Figura 5.17 PANTALLA No. 10 FACTOR DE AJUSTE POR FUNDACIÓN ESTACIONAL PARA CADA PERIODO


Se pueden tener un máximo de 12 periodos, cada uno con su respectivo factor de ajuste, los menús Joint y Damage, se explican en otro ejercicio, ya que no se activan en este ejemplo. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


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En la primera opción (Data set 1), se analiza una fundación liquida, para crear la base de datos para el problema 2 con una fundación sólida, se selecciona la caja Data set 2 esta acción copia la base de datos que ya creamos y solo necesitamos cambiar el título, el tipo de fundación, el modulo de Young y la relación de Poisson para la fundación sólida. Después de haber introducido todos los datos, se grava el ejercicio con el botón save as y se regresa al menú principal en la pantalla No. 1, en la caja file name se selecciona la base de datos que se creo y se activa el botón KENSLABS. El programa ejecuta el análisis y almacena los resultados como un archivo TXT, en la carpeta KENPAVE. En la pantalla No. 1, utilizamos el botón EDITOR y se habré el archivo de resultados, que se presenta a continuación.




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Con el botón CONTOUR, el programa dibuja la curva de esfuerzos, con un intervalo estipulado en este caso es de 1 psi, también tiene la opción de imprimirla.

Figura 5.18 PANTALLA No. 1.1 CURVA DE ESFUERZOS PARA LA LOSA


5.3 ANALISIS DE RESULTADOS Fundación liquida: -

El esfuerzo en el centro de la losa (nodo 1) es 237.6 psi (1.64 MPa), El esfuerzo en el borde de la losa (nodo 7) es 216.2 psi (1.49 MPa)

Fundación sólida: -

El esfuerzo en el centro de la losa (nodo 1) es 237.0 psi (1.6 MPa), El esfuerzo en el borde de la losa (nodo 7) es 204.3 psi (1.4 MPa)

Al especificar NPRINT = 0, se calculan los esfuerzos en todos los nodos y así el programa puede dibujar la curva de esfuerzos, hay cuatro curvas, dos para la opción a y dos para la opción b. los siguientes son unos comentarios para el aclarar el análisis de los resultados. -

En este ejemplo se asume que la losa y la subrasante están en contacto full, la presión de reacción (SURB) puede ser positiva o negativa

-

Una diferencia positiva de temperatura de 20ºF, indica que la temperatura de la base es mayor a la de la superficie ósea que la losa se curva hacia abajo en forma cóncava. La deflexión F se mide en la posición original de la losa,



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tomando el nodo 7 en el borde, los resultados muestran una deflexión de 01298 in. Esto indica que el nodo se mueve hacia arriba, para la fundación liquida la presión de reacción es SUBR = -0.1298*200 = -2.596 psi, como lo muestran los resultados, el valor negativo indica que la subrasante hala la losa hacia abajo. -

Para la fundación sólida, la deflexión F de la losa y la deflexión SUBD de la subrasante son iguales, por eso, solo se imprimen una vez, cuando la losa y la subrasante no están en contacto el programa imprime ambas deflexiones.

-

Los esfuerzos máximos de los nodos 1 y 7 son positivos, esto indica que la cara superior de la losa esta en compresión. Si la losa se curva hacia arriba formando una cresta, con una diferencia de temperatura de -20 ºF, los esfuerzos serán iguales pero opuestos en signo.

-

Solo se dibuja la curva de esfuerzos y momentos para las direcciones x o y, pues esto permite visualizar el doblamiento de la losa

5.4 BIBLIOGRAFIA BORDA ALVAREZ, Franklin Alberto. Implementación del paquete computacional Kenslabs para el análisis de esfuerzos y deflexiones en pavimentos rígidos. Tesis de grado. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2005. HIGUERA SANDOVAL, Carlos Hernando. Mecánica de pavimentos. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2007. HUANG, Yang H. Pavement análisis and design. Prentice – Hall. Inc. United State of America. Segunda edición. ISBN 0-13-142473-4. 2004. Programa KENPAVE - Módulo KENSLABS. A computer package for pavement analysis and design, desarrollado por el Dr. Yang H. Huang. Universidad de Kentucky. Estados Unidos. YODER. E.J. Principles of pavement design. Segunda edición. 1975 Archivo: MANUAL-KENSLABS CHHS



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CAPITULO 6 MANUAL DEL USUARIO DEL PROGRAMA KENLAYER PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES 6.1 GENERALIDADES La herramienta KENLAYER para la evaluación de estructuras de pavimento flexible es uno de los dos módulos que junto con el programa KENSLABS (que avalúa estructuras de pavimento rígido) conforman el paquete de programación KENPAVE, desarrollado por el doctor Yang H. Huang, Profesor Emeritus, Ingeniería Civil de la Universidad de Kentucky, el cual facilita el cálculo de los parámetros para el diseño de las estructuras de pavimento flexible. El módulo KENLAYER hace posible la solución de sistemas de pavimento elástico multicapa, considerando un área circular de aplicación de la carga. Esta carga a su vez puede ser aplicada mediante eje simple de rueda sencilla, eje simple de rueda doble, eje tándem y eje tridem. Se considera que las capas pueden tener comportamiento lineal, no lineal o viscoelástico.

6.2 ENTORNO Y OPCIONES DEL MODULO KENLAYER 6.2.1 Menú principal “Main screen” Figura 6.1 Menú principal

Fuente: Programa KENPAVE I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


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Comenzando con la descripción de la ventana, esta posee dos opciones en la parte superior que le permite: 

Data Path: Señalar la ubicación del programa, en el equipo que se está

ejecutando.  Filename: Abrir un ejemplo creado con anterioridad, introduciendo el nombre correspondiente del mismo.

En la parte inferior de la pantalla se encuentran 11 botones que se utilizan en el cálculo de estructuras de pavimento. Como el programa KENPAVE está dividido en dos módulos, el KENLAYER para estructuras de pavimento flexible y el KENSLABS para solucionar estructuras de pavimento rígido, de igual forma los botones también se distribuyen correspondiendo los tres primeros del lado inferior izquierdo al módulo KENLAYER. El presente capítulo proporciona la información y metodología pertinente para la adecuada manipulación de los tres botones que constituyen el módulo KENLAYER.

Figura 6.2. Módulo de pavimentos flexibles

Fuente: Programa KENPAVE - KENLAYER

6.2.2 LAYERINP. A dar clic en este botón aparece en menú que se muestra enseguida, el cual contiene diversas opciones para crear y editar información pertinente q la estructura que se desea analizar. Además, de las opciones para la edición y almacenamiento de datos, este menú proporciona una cuadro de dialogo en la parte inferior de la ventana, que le brinda al usuario las indicaciones básicas para el manejo de cada herramienta. En primer lugar se debe mencionar que las opciones que tenga en la parte inferior la palabra “default ” en azul, no requiere la entrada de datos, mientras que las opciones que en su parte inferior tengan la palabra “ input ” o “done” en rojo, indican que se

debe introducir en ellas la información pertinente. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


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Los botones “data set ” pueden ser utilizados cuando se desee trabajar hasta con cinco juegos de datos que se requieran analizar simultáneamente, y/o que posean características estructurales en común. La siguiente es la presentación inicial que se despliega al pulsar el botón LAYERINP .

Figura 6.3. Menú de LAYERINP


El ingreso de la información debe realizarse de izquierda a derecha, ya que los datos de entrados en el menú izquierdo pueden afectar el tipo de forma para ser usado en el menú derecho.

6.2.3. Herramientas del menú LAYERINP 6.2.3.1 File: Esta opción permite seleccionar un archivo existente: “old ” o empezar a trabajar en uno nuevo: “new” . Figura 6.4. Menú de LAYERINP – FILE


6.2.3.2 G eneral: Esta opción abre una ventana en la cual se halla una lista con

las características generales de las estructuras flexibles que se van a calcular. Los datos que se introducen en este listado determinan en cuales de las siguientes opciones del menú LAYERINP se debe ingresar datos y en cuales el programa toma valores predeterminados.



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Figura 6.5. Información General de LAYERINP




“Title”, título: En este cuadro se asigna un nombre o título a la estructura que

se va a analizar. 

“Type of material – MATL”, tipo de material: Se puede seleccionar una de

las siguientes tres alternativas escribiendo el número que corresponde a cada una de ellas así:

- 1 = linear, lineal: Se asume que todas las capas tienen un comportamiento -

elástico lineal, cada uno con un módulo de elasticidad constante. 2 = Nonlinear, no lineal: Cuando los módulos de cada capa dependen de la deformación y su valor debe ser identificado.

- 3 = Viscoelas tic, vis coelás tico - 4 = Combined, combinado 

“Damage analisis

- NDAMA”, análisis de daños: El análisis de daños se

realiza basado en el cálculo de la deformación horizontal de tracción y en la deformación vertical por compresión en la superficie de la capa que se especifique; usualmente se debe pedir al programa que calcule el primer parámetro en la capa 1 (ya que la mayor deformación de este tipo se da en la base de la capa asfáltica que suele ser la número 1), y el segundo parámetro sobre la subrasante. Las alternativas para entregar el informe de análisis de daños son las siguientes:



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- 1 = No: Es decir que no entregue reporte de daños. - 2 = Yes with s ummary only: Que sea entregado el resumen solamente. - 3 = Yes with detatiled printout: Que sea entregado un proyecto detallado. 

“Number of period per year -NPY”, número de periodos por año: El



“Tolerante for numerical integration -DEL”, tolerancia aplicada a la



“Number of layers-NL”, número de capas: Como este programa aplica a los

análisis de daños puede ser hecho dividiendo cada año en máximo 12 periodos.

iteración numérica: Se puede asignar en esta casilla el número 0.001.

sistemas elásticos multicapa, en esta casilla se debe introducir el número de capas que conforman el sistema que se va a evaluar (máximo 19 capas). 

“Number of z coordinates for analisis -NZ”, número de coordenadas de

profundidad para el anális is : Aquí el usuario establece el número de posiciones de profundidad en las que quiere calcular los parámetros.



Maximum “

cycles of numerical integration-ICL”, número de iteraciones

numéricas: Se debe suministrar el número de iteraciones que se desea el programa lleve a cabo para entregar los resultados finales.



“Types of responses -NSTD: Número de esfuerzos, deformaciones y

deflexiones de la siguiente forma:

- 1 = Desplazamientos únicamente - 5 = Desplazamientos y esfuerzos - 9 = Desplazamientos, esfuerzos y deflexiones 

“All layer interface bouned -NBOND”, tipo de interfase entre dos capas:

Se refiere al tipo de interfase existente entre dos capas; las interfases de las capas pueden estar ligadas o no, para determinar esta condición se indica el número correspondiente a la alternativa correcta:

- 1 = Yes, si las capas son ligadas - 0 = If s ome are frictionles s , cuando alguna interfase es no ligada o existe fricción entre dos capas.



“Number of layers of bottom tension -NLBT ” : Número de capas que se

analizarán a la tension.





99

“Number of layers for top compression -NLTC”: Número de capas que se

analizaran a la compression. 

“System of units -NUNIT”, sistema

de unidades: El programa permite

utilizar dos sistemas de unidades para el ingreso y salida de los datos. Se selecciona el sistema que se desea utilizar ingresando el número correspondiente al mismo:

- 1 = Sistema Inglés - 2 = Sistema internacional 6.2.3.3 Z coordinates of response points: En esta opción se insertan las profundidades a las cuales se quieren calcular los parámetros de diseño; el programa permite introducir tantas profundidades como hayan sido descritas en la opción NZ y agregar o quitar casillas mediante el uso de la tecla CTRL. (Sólo será posible acceder a este fichero si Ndamage = 0). Figura 6.6. Profundidades a las cuales se quieren calcular los parámetros de diseño


6.2.3.4 Layer thickness, poisson´s ratio and units weigth: Para esta opción se despliega una ventana como la que se muestra en la Figura 6.7, en la que aparecerá un número de casillas igual al solicitado en la información general. En ellas será posible introducir el espesor y la relación de Poisson de cada capa de la estructura de pavimento flexible.



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Figura 6.7. Espesor y relación de Poisson de cada capa del la estructura


6.2.3.5 Tipe of interface: en este fichero se introducen los tipos de interfase y sólo se activa si en la información general NBOND 0 =, es decir, si las interfases son no ligadas o existe fricción entre las capas. INT indica la condición de cada interfaz, se debe asignar 1 si la interfaz tiene alta fricción o es consolidada y 0 si se considera existe una fricción leve

Figura 6.8. Tipo de interfase


6.2.3.5 Layers moduli for period: Al seleccionar este menú aparece la siguiente ventana con un número de botones igual al designado en la información general de número de periodos al año NPY (en este caso 12).



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Figura 6.9. Periodos al año


Nuevamente se debe seleccionar cada botón y aparece el siguiente fichero:

Figura 6.10. Módulo de cada capa para un periodo dado


En este fichero es preciso asignar los valores de los módulos de elasticidad de las capas de la estructura de pavimento correspondiente de los materiales en cada estación o época del año. Para el caso particular de los países como Colombia en los que las estaciones no son tan marcadas, se puede considerar que el comportamiento elástico de cada capa representada por los módulos, es más o menos constante en cualquier época del año. Gracias a ello se puede designar un solo periodo de análisis al año en el menú de información general y por lo tanto un único módulo de elasticidad de cada capa.

6.2.3.7 Load information: El número de líneas, o grupos de carga, es igual a NLG, como se especificó en el menú general.



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Figura 6.11. Información de las cargas




    

En la casilla LOAD (tipo de carga): Asigne 0 para un eje simple de rueda sencilla, 1 para un eje simple de rueda doble, 2 para un eje tándem y 3 para un eje tridem. En la casilla CR se debe entrar el radio de carga. En la casilla CP se debe entrar la presión de contacto. En YW se debe indicar el espaciamiento entre dos ruedas duales a lo largo del eje de ordenadas. Asigne 0 si hay sólo una rueda. En XW se indica el espaciamiento entre dos ejes a lo largo de las abscisas. Asigne 0 si sólo existe un eje. En la casilla NR or NPT: se selecciona NPT si el número de puntos de respuesta en X y Y es expresado en términos de coordenadas cartesianas para ser analizado bajo múltiples ruedas, (máximo 25).

6.2.3.8 Nonlinear layers menú: Este menú contiene a su vez cuatro ficheros en los que se debe suministrar la información descrita más adelante. Figura 6.12. Menú para capas no lineales


Para el caso no lineal elástico, los módulos elásticos de algunas capas dependen de la tensión y estas capas deben ser identificadas. Los módulos elásticos de las capas no lineales al principio deben ser asumidos y a partir de estos valores, el programa lleva a cabo un procedimiento iterativo usado hasta que los módulos converjan a una tolerancia especificada (generalmente 0.5). 

General: En esta ventana se deben entrar los siguientes parámetros:



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Figura 6.13. Información general para una capa no lineal


“Number on nonlinear layers”, número de capas no lineales. “Maximun number of iterations” , máximo número de iteraciones “Radialcoordinate for nonlinear analisis in in”, coordenadas radiales para el

análisis no lineal de los puntos requeridos. “X coordinate for nonlinear analisis in in” , coordenadas en X para el análisis no

lineal de los puntos requeridos. “Y coordinate for nonlinear analisis in in ”, coordenadas en Y para el análisis no lineal de los puntos requeridos. “Slope of load distribution” , pendiente de distribución de carga. “Tolerante for nonlinear analisis ” tolerancia para el análisis no lineal. 

Relaxation factor of each period : El empleo del factor de relajación para el análisis no lineal debe asegurar la convergencia del módulo elástico. Se sugiere usar un factor de relajación igual a 0.5. Sin embargo, si los resultados durante un periodo dado divergen, se debe considerar un factor de relajación más pequeño, por lo general la mitad del valor inicial, es decir 0.25.

Figura 6.14. Factor de relajación




Nonseason information: Información no estacional.



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Figura 6.15. Información no estacional


En la casilla “LAYNO” se determina el número de las capas no lineales en la cual el módulo elástico es el dependiente de tensión.

En la casilla “ZCNOL” se debe introducir la coordenada en Z de los puntos donde se desea calcular el módulo elástico de capa no lineal. Aunque cualquier punto en esta capa no lineal granular pueda ser usado para calcular el módulo elástico, se sugiere que la coordenada en Z sea en el punto medio de cada capa. Para una subrasante no lineal, un punto de análisis debe ser ubicado sobre esta. “NCLAY” (tipo de capa no lineal): Asigne 0 para materiales granulares y 1 para

materiales de grano fino (limos, arcillas). 

S easonal information: Información estacional. Figura 6.16. Información estacional


El número de capas no lineales sobre esta forma es igual a NOLAY , como se especificó en la información no lineal General. Los doce botones sobre la forma indican el máximo de capas que puede ser usado. Sin embargo, sólo las capas especificadas son marcadas tanto con la secuencia como con el número de capa sobre el botón. Si debajo de un botón aparece una etiqueta roja, esto indica que se deben entrar algunos datos en la capa. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


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Al pulsar el botón capa se abre en la pantalla una ventana que contiene el número de periodos para que sean asignados los valores de “Clay tipe” que traduce tipo de arcilla. El número de periodo sobre esta plantilla es igual a NP Y , especificado en el menú General. El tipo de arcilla es un parámetro temporal para asignar los parámetros de entrada para cuatro tipos de arcilla:     

Arcilla muy suave = 1 Arcilla suave = 2 Arcilla media = 3 Arcilla dura = 4 Si la contextura de la arcilla no permanece estable = 0

En seguida de introducir los datos del tipo de arcilla aparecerá el siguiente fichero:

Figura 6. 17. Parámetros de la capa 1


Para un archivo existente, esta forma aparece cuando NCLA Y = 1 y el botón de capa sobre los Parámetros Estacionales es pulsado. “EMIN” , módulo elástico mínimo de la subrasante. “EMAX” , módulo elástico máximo de la subrasante. “K1” señala la rotura o momento de falla del módulo elástico.

6.2.3.9 Vis coelas tic: Para el caso viscoelástico, el módulo elástico de algunas capas depende del tiempo y estas capas deben ser identificadas. La solución viscoelástica para el movimiento de cargas, se halla aplicando el principio de superposición.



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Figura 6.18. Capas viscoelásticas




General: Los valores que faltan para DUR y NTYME son proporcionados para la implicación de análisis de cargas. Para cargas inmóviles, DUR debería ser cambiado a 0 y NTYME puede ser cualquier valor. Figura 6.19. Información general




Time: El número de secuencias de tiempo sobre esta forma es igual a NTYME , como el especificado en la Información Viscoelástica General. Los

valores que aparecen en esta ventana son por inercia empleados por el programa, sin embargo si se desea pueden ser modificados.

Figura 6.20. Tiempos de duración para la fatiga

Fuente: Programa KENPAVE – KENLAYER I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.




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Layer:

“LAYNO” , número de la capa del sistema que es viscoelástico “BETA”, Coeficiente de temperatura “TEMPREF ”, temperatura de la capa viscoelástica

Figura 6.21. Información de la capa viscoelástica




Creep: Chequeo de temperatura de referencia de la capa viscoelástica.

Al pulsar creep aparece el siguiente fichero en el cual se puede ingresar información a cada capa como se muestra en seguida.

Figura 6.22. Información de cada capa

Fuente: Programa KENPAVE – KENLAYER I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.




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Temperature: El programa por inercia trabaja con una temperatura de 70° F, pero si se desea otra temperatura puede ser modificada.

Figura 6. 23. Temperatura de cada capa


6.2.3.10 Demage analisis : Análisis de daños, basado en dios criterios: la deformación radial de tracción en la base de la capa asfáltica y la deformación vertical de compresión sobre la subrasante. Los coeficientes de daño fueron desarrollados por el Instituto del Asfalto y son usados en este programa; y ya que los parámetros mencionados son adimensionales, los mismos coeficientes pueden ser usados tanto para el sistema de unidades Inglés como para el sistema internacional SI.

Figura 6.24. Análisis de parámetros




Bottom tension: Aquí se despliega la ventana “Layer number and fatigue coeficients” ; y en ella los valores de FT1, FT2 y FT3 son sugeridos por el Instituto del Asfalto y en la casilla “LNBT” se introduce el número de las capas a las cuales es preciso realizar el análisis de daños.

Figura 6.25. Coeficientes de fatiga






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Top compresión: “LNTC” , análisis de daños por compresión en las capas especificadas “FT4” y FT5” , coeficientes de deformación permanentes. Los

valores sugeridos por el Instituto del Asfalto son 1.365x10-9 y 4.477 respectivamente.

Figura 6. 26. Coeficientes de deformación permanente




Volumen of trafic: Los 12 botones sobre la reglilla indican que un máximo de 12 periodos pueden ser usado. Sin embargo, sólo los periodos en realidad siendo especificados son marcados con el número de periodo sobre el botón.

Figura 6. 27. Repeticiones de carga en cada periodo


Al pulsar el botón de cada periodo aparece la siguiente ventana

Figura 6.28. Repeticiones de carga en cada periodo 1


“TNLR” , en esta casilla se debe introducir el número total de repeticiones de carga

por cada grupo de carga durante cada periodo. I ng: Carlos Hernando Hi guera Sandoval. MSc.


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6.2.3.11 Morh C oulomb: Este menú muestra los gráficos y la teoría en mención. Figura 6.29. Círculo e Mohr – Coulomb


6.2.4 LAYERINP. Por último, el menú LAYERINP también contiene las opciones S A VE , S AVE A S A ND E XIT, las dos primeras para guardar la información de los modelos estructurales de pavimento y la última para salir de la ventana. 6.3 BIBLIOGRAFIA HIGUERA SANDOVAL, Carlos Hernando. Mecánica de pavimentos. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja. 2007. HUANG, Yang H. Pavement analisis and design. Prentice – Hall. Inc. United State of America. Segunda edición. ISBN 0-13-142473-4. 2004. Programa KENPAVE - Módulo KENLAYER. A computer package for pavement analysis and design, desarrollado por el Dr. Yang H. Huang. Universidad de Kentucky. Estados Unidos. YODER. E.J. Principles of pavement design. Segunda edición. 1975 Archivo: MANUAL-KENSLABS CHHS


Capitulo 5 Manuales de Mecanica de Pavimentos 2018

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