IBCH sobrecarpetas DIPAV.pdf

DISEÑO DE SOBRECARPETAS EN PAVIMENTOS EXISTENTES (AASHTO-93) Y SOFTWARE DIPAV 2.0 TRADUCCIÓN Y ADAPTACIÓN CURSO DEL INSTITUTO NACIONAL DE CARRETERAS (NHI – NATIONAL HIGHWAY INSTITUTE) No 13129 PUBLICACION No FHWA-HI-94-048

INSTITUTO BOLIVIANO DEL CEMENTO Y EL HORMIGÓN LA PAZ – BOLIVIA

Diseño de Sobrecarpetas – AASHTO 93

INDICE

REHABILITACIÓN DE PAVIMENTOS CON SOBRECARPETAS

1

1.1. INTRODUCCIÓN COMO UNA ALTERNATIVA ALTERNATIVA DE REHABILITACIÓN REHABILITACIÓN 1.2. F ACTIBILIDAD DE UNA SOBRECARPETA COMO

1 2

METODOLOGÍA DE DISEÑO DE SOBRECARPETAS

6

2.1 CONCEPTOS DE CAPACIDAD ESTRUCTURAL Y DEFICIENCIA ESTRUCTURAL 2.2 MÉTODOS DE EVALUACIÓN ESTRUCTURAL PARA DISEÑO DE SOBRECARPETAS 2.2.1 INSPECCIÓN VISUAL Y ENSAYO DE MATERIALES 2.2.2 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS DE DEFLEXIÓN EMANENTE 2.2.3 V 2.2.3 VIDA R EMANENTE 2.3 DETERMINACIÓN DE LAS CONDICIONES DE SOPORTE 2.3.1. MÓDULO RESILIENTE DE DISEÑO ETROCÁLCULO DEL MÓDULO RESILIENTE CON DATOS DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS 2.3.1.1 R ETROCÁLCULO 2.3.1.2 CORRECCIONES EN EL MÓDULO RESILIENTE RETROCALCULADO POR ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS 2.3.2 MÓDULO DE REACCIÓN DE SUBRASANTE 2.3.2.1 MÓDULO K RETROCALCULADO

CONCRETO ASFÁLTICO SOBRE PAVIMENTO DE CONCRETO ASFÁLTICO 3.1. INTRODUCCIÓN 3.2. F ACTIBILIDAD EPARACIONES PREVIAS 3.3. R EPARACIONES 3.4. CONTROL DE REFLEXIÓN DE FISURAS 3.5 SUBDRENAJE 3.6. DISEÑO DE ESPESORES 3.6.1. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PAVIMENTO EXISTENTE (P ASO 1) 3.6.2. A 3.6.2. ANÁLISIS DE TRÁNSITO (P ASO 2) 3.6.3. OBSERVACIÓN DEL ESTADO DEL PAVIMENTO EXISTENTE (P ASO 3) 3.6.4. ENSAYOS DE DEFLEXIÓN (P ASO 4) ESILIENTE DE LA SUBRASANTE 3.6.4.1 MÓDULO R ESILIENTE 3.6.4.2 MÓDULO EFECTIVO DEL PAVIMENTO 3.6.4.3 EJEMPLO 3.6.5. MUESTREO Y ENSAYO DE MATERIALES (P ASO 5) 3.6.5.1 MÓDULO RESILIENTE DE LA SUBRASANTE Y MATERIALES DE LAS DISTINTAS CAPAS 3.6.6. DETERMINACIÓN DEL SN REQUERIDO PARA EL TRÁNSITO FUTURO (P ASO 6) 3.6.6.1 MÓDULO RESILIENTE EFECTIVO DE LA SUBRASANTE . 3.6.6.2 PÉRDIDA DE SERVICIABILIDAD DE DISEÑO DE LA SOBRECARPETA 3.6.6.3 CONFIABILIDAD R DE

6 8 8 9 10 12 13 13 15 17 17

22 22 22 22 23 24 24 24 24 25 25 25 27 30 31 31 32 32 32 33 i


3.6.6.4 DESVIACIÓN STANDARD 3.6.7. DETERMINACIÓN DEL EFECTIVO SNEF DEL PAVIMENTO EXISTENTE 3.6.7.1 MÉTODO DE ENSAYO NO DESTRUCTIVO (NDT) 3.6.7.2 OBSERVACIÓN VISUAL Y ENSAYO DE MATERIALES 3.6.7.3 V 3.6.7.3 VIDA REMANENTE 3.6.8. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR DE LA SOBRECARPETA (P ASO 8) 3.7 FRESADO SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO EXISTENTE 3.8 BERMAS 3.9 ENSANCHAMIENTO 3.10 EJEMPLOS DE DISEÑO

CONCRETO ASFÁLTICO SOBRE PAVIMENTO DE HORMIGÓN PREVIAMENTE FRACTURADO 4.1. INTRODUCCIÓN 4.2. F ACTIBILIDAD 4.3. R EPARACIONES EPARACIONES PREVIAS A LA SOBRECARPETA 4.4. CONTROL DE REFLEXIÓN DE FISURAS 4.5. SUBDRENAJE 4.6. DISEÑO DEL ESPESOR DE SOBRECARPETA 4.6.1. P ASO 1. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PAVIMENTO EXISTENTE 4.6.2. A 4.6.2. ANÁLISIS DE TRÁNSITO (P ASO 2) 4.6.3. OBSERVACIÓN DEL ESTADO DEL PAVIMENTO EXISTENTE (P ASO 3) 4.6.4. ENSAYOS DE DEFLEXIÓN (P ASO 4) ESILIENTE DE LA SUBRASANTE 4.6.4.1 MÓDULO R ESILIENTE 4.6.4.2 MÓDULO EFECTIVO DEL PAVIMENTO 4.6.5. MUESTREO Y ENSAYO DE MATERIALES (P ASO 5) 4.6.6. DETERMINACIÓN DEL NÚMERO ESTRUCTURAL REQUERIDO PARA EL TRÁNSITO FUTURO (P ASO 6) 4.6.7. DETERMINACIÓN DEL NÚMERO ESTRUCTURAL EFECTIVO SN DEL PAVIMENTO EXISTENTE (P ASO 7) 4.6.8. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR DE SOBRECARPETA (P ASO 8) 4.7 BERMAS 4.8 ENSANCHAMIENTO 4.9 EJEMPLOS DE DISEÑO

CONCRETO ASFÁLTICO SOBRE PAVIMENTO DE HORMIGÓN 5.1. INTRODUCCIÓN 5.2. F ACTIBILIDAD 5.3. T AREAS DE REPARACIÓN PREVIAS 5.4. CONTROL DE REFLEXIÓN DE FISURAS 5.5. SUBDRENAJE 5.6. DISEÑO DE ESPESOR 5.6.1. DISEÑO DEL PAVIMENTO EXISTENTE (P ASO 1) 5.6.2. A 5.6.2. ANÁLISIS DE TRÁFICO (P ASO 2) 5.6.3. OBSERVACIÓN DEL ESTADO DEL PAVIMENTO EXISTENTE (P ASO 3) 5.6.4. ENSAYOS DE DEFLEXIÓN (P ASO 4) 5.6.4.1 MÓDULO K DINÁMICO EFECTIVO 5.6.4.2 MÓDULO K ESTÁTICO EFECTIVO 5.6.4.3 MÓDULO ELÁSTICO DEL HORMIGÓN 5.6.4.4 TRANSFERENCIA DE CARGAS. 5.6.5. MUESTREO Y ENSAYO DE MATERIALES (P ASO 5)

33 33 33 34 35 36 37 41 41 41

49 49 49 50 50 50 50 51 51 51 51 51 53 53 54 54 55 57 58 58

61 61 61 61 62 63 63 64 65 65 66 66 67 67 68 70 ii


5.6.5.1 MÓDULO DE RUPTURA 5.6.6. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE LOSA PARA EL TRÁNSITO FUTURO D (P ASO 6) 5.6.6.1 MÓDULO K ESTÁTICO EFECTIVO 5.6.6.2 PÉRDIDA DE SERVICIABILIDAD DE DISEÑO 5.6.6.3 F ACTOR DE TRANSFERENCIA TRANSFERENCIA DE CARGAS J 5.6.6.4 MÓDULO DE ROTURA DEL PAVIMENTO EXISTENTE DE HORMIGÓN. 5.6.6.5 MÓDULO ELÁSTICO DEL PAVIMENTO DE HORMIGÓN EXISTENTE . 5.6.6.6 PÉRDIDA DE SOPORTE DE LA LOSA EXISTENTE. 5.6.6.7 CONFIABILIDAD DE DISEÑO DE LA SOBRECARPETA R 5.6.6.8 DESVIACIÓN STANDARD 5.6.6.9 C APACIDAD DE SUBDRENAJE SUBDRENAJE DE LA LOSA EXISTENTE EXISTENTE 5.6.7. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR EFECTIVO DE LOSA DEL PAVIMENTO EXISTENTE DEF (P ASO 7) 5.6.7.1 OBSERVACIÓN DEL ESTADO DEL PAVIMENTO EXISTENTE 5.6.7.2 MÉTODO VIDA REMANENTE 5.6.8. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR DE SOBRECARPETA (P ASO 8) 5.7 BERMAS 5.8 ENSANCHAMIENTO 5.9 EJEMPLOS DE DISEÑO

70 70 70 71 71 71 72 72 72 72 72 73 73 75 75 79 79 79

CONCRETO ASFÁLTICO ASFÁLTICO SOBRE PAVIMENTO PAVIMENTO DE ASFALTO/HORMIGÓN ASFALTO/HORMIGÓN 83 6.1. INTRODUCCIÓN 6.2. F ACTIBILIDAD LA SOBRECARPETA 6.3. T AREAS PREVIAS A LA 6.4. CONTROL DE REFLEXIÓN DE FISURAS 6.5. SUBDRENAJE 6.6 DISEÑO DEL ESPESOR DE SOBRECARPETA 6.6.1. DISEÑO DEL PAVIMENTO EXISTENTE (P ASO 1) 6.6.2. A 6.6.2. ANÁLISIS DE TRÁNSITO (P ASO 2) 6.6.3. OBSERVACIÓN DEL ESTADO DEL PAVIMENTO EXISTENTE (P ASO 3) 6.6.4 ENSAYOS DE DEFLEXIÓN (P ASO 4) 6.6.4.1 TEMPERATURA DE LA MEZCLA DE CONCRETO ASFÁLTICO. 6.6.4.2 MÓDULO ELÁSTICO DEL CONCRETO ASFÁLTICO. 6.6.4.2.1 ESTIMACIÓN A PARTIR DE LA TEMPERATURA DE LA MEZCLA DE CA 6.6.4.2.2 ENSAYO DE MÓDULO RESILIENTE DIAMETRAL 6.6.4.3 MÓDULO K DINÁMICO EFECTIVO BAJO LA LOSA DE HORMIGÓN . 6.6.4.5 MÓDULO ELÁSTICO DE LA LOSA DE HORMIGÓN. 6.6.4.6 TRANSFERENCIA DE CARGAS. 6.6.5. EXTRACCIÓN DE NÚCLEOS Y ENSAYO DE MATERIALES (P ASO 5) 6.6.5.1 MÓDULO DE LA SUPERFICIE DEL CONCRETO ASFÁLTICO. 6.6.5.2 MÓDULO DE ROTURA DEL HORMIGÓN . 6.6.6. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR DE LOSA REQUERIDA PARA EL TRÁNSITO FUTURO DF (P ASO 6) 6.6.6.1 MÓDULO K ESTÁTICO EFECTIVO 6.6.6.2 PÉRDIDA DE SERVICIABILIDAD DE DISEÑO 6.6.6.3 COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CARGAS DE LA LOSA EXISTENTE 6.6.6.4 MÓDULO DE ROTURA DEL HORMIGÓN. 6.6.6.5 MÓDULO ELÁSTICO DE LA LOSA DE HORMIGÓN. 6.6.6.6 PÉRDIDA DE SOPORTE DE LA LOSA EXISTENTE. DE LA SOBRECARPETA 6.6.6.7 CONFIABILIDAD R DE 6.6.6.8 DESVÍO STANDARD S0 DRENAJE BAJO LA LOSA EXISTENTE DE HORMIGÓN HORMIGÓN. 6.6.6.9 C APACIDAD DE DRENAJE SUBDRENAJE DE LA LOSA EXISTENTE EXISTENTE 6.6.6.10 C APACIDAD DE SUBDRENAJE 6.6.7. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR DE LOSA EFECTIVO D, DEL PAVIMENTO EXISTENTE (P ASO 7)

83 83 83 84 85 85 86 86 86 87 87 87 87 88 88 90 90 91 91 91 92 92 92 92 93 93 93 93 93 94 94 94 iii


6.7 FRESADO SUPERFICIAL 6.8 BERMAS 6.9 ENSANCHAMIENTO 6.10 EJEMPLOS DE DISEÑO

SOBRECARPETA DE HORMIGÓN ADHERIDA A PAVIMENTO EXISTENTE DE HORMIGÓN 7.1. INTRODUCCIÓN 7.2. F ACTIBILIDAD 7.3. T AREAS DE REPARACIÓN PREVIAS 7.4. CONTROL DE REFLEXIÓN DE FISURAS 7.5. SUBDRENAJE 7.6. DISEÑO DEL ESPESOR 7.6.1. DISEÑO DEL PAVIMENTO EXISTENTE (P ASO 1) 7.6.2. A 7.6.2. ANÁLISIS DE TRÁNSITO (P ASO 2) 7.6.3. INSPECCIÓN DE LA CONDICIÓN (P ASO 3) 7.6.4. ENSAYOS DE DEFLEXIÓN (P ASO 4) 7.6.4.1 MÓDULO K DINÁMICO EFECTIVO 7.6.4.2 MÓDULO K ESTÁTICO EFECTIVO 7.6.4.3 MÓDULO ELÁSTICO DEL HORMIGÓN 7.6.4.4 TRANSFERENCIA DE CARGAS. 7.6.5. MUESTREO Y ENSAYO DE MATERIALES (P ASO 5) 7.6.5.1 MÓDULO DE RUPTURA 7.6.6. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE LOSA PARA EL TRÁNSITO FUTURO, DF (P ASO 6) 7.6.6.1 MÓDULO K ESTÁTICO EFECTIVO 7.6.6.2 PÉRDIDA DE SERVICIABILIDAD DE DISEÑO. TRANSFERENCIA DE CARGAS J 7.6.6.3 F ACTOR DE TRANSFERENCIA 7.6.6.4 MÓDULO DE ROTURA DEL PAVIMENTO EXISTENTE DE HORMIGÓN. 7.6.6.5 MÓDULO ELÁSTICO DEL PAVIMENTO DE HORMIGÓN EXISTENTE . 7.6.6.6 PÉRDIDA DE SOPORTE DE LA LOSA EXISTENTE. 7.6.6.7 CONFIABILIDAD DE DISEÑO DE LA SOBRECARPETA R 7.6.6.8 DESVIACIÓN STANDARD SUBDRENAJE DE LA LOSA EXISTENTE EXISTENTE 7.6.6.9 C APACIDAD DE SUBDRENAJE 7.6.7. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR EFECTIVO DE LOSA DEL PAVIMENTO EXISTENTE, DF (P ASO 7) 7.6.7.1 OBSERVACIÓN DEL ESTADO DEL PAVIMENTO EXISTENTE 7.6.7.2 MÉTODO VIDA REMANENTE 7.6.8. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR DE SOBRECARPETA (P ASO 8) 7.7. BERMAS 7.8. JUNTAS 7.9. PROCEDIMIENTOS DE ADHERENCIA Y MATERIALES 7.10. ENSANCHAMIENTO 7.11. EJEMPLOS DE DISEÑO

SOBRECARPETA DE HORMIGÓN NO ADHERIDA A PAVIMENTO EXISTENTE DE HORMIGÓN 8.1. INTRODUCCIÓN 8.2. F ACTIBILIDAD EPARACIONES PREVIAS A LA SOBRECARPETA 8.3. R EPARACIONES 8.4. CONTROL DE REFLEXIÓN DE FISURAS

100 100 100 100

104 104 104 104 105 105 106 106 106 107 107 108 109 109 110 111 111 111 111 112 112 112 112 112 113 113 113 113 113 115 115 116 116 116 116 117

122 122 122 122 123 iv


8.5 SUBDRENAJE 8.6 DISEÑO DE ESPESORES 8.6.1. DISEÑO DEL PAVIMENTO EXISTENTE (P ASO 1) 8.6.2. A 8.6.2. ANÁLISIS DE TRÁNSITO (P ASO 2) 8.6.3. OBSERVACIÓN DEL ESTADO DEL PAVIMENTO EXISTENTE (P ASO 3) 8.6.4 ENSAYOS DE DEFLEXIÓN (P ASO 4) 8.6.4.1 MÓDULO K DINÁMICO EFECTIVO 8.6.4.2 MÓDULO K ESTÁTICO EFECTIVO 8.6.5. MUESTREO Y ENSAYO DE MATERIALES (P ASO 5) 8.6.6. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE LOSA PARA EL TRÁNSITO FUTURO, DF (P ASO 6) 8.6.6.1 MÓDULO K ESTÁTICO EFECTIVO 8.6.6.2 PÉRDIDA DE SERVICIABILIDAD DE DISEÑO. TRANSFERENCIA DE CARGAS J 8.6.6.3 F ACTOR DE TRANSFERENCIA 8.6.6.4 MÓDULO DE ROTURA DE LA SOBRECARPETA NO ADHERIDA. 8.6.6.5 MÓDULO ELÁSTICO DE LA SOBRECARPETA NO ADHERIDA . 8.6.6.6 PÉRDIDA DE SOPORTE DE LA LOSA EXISTENTE. 8.6.6.7 CONFIABILIDAD DE DISEÑO DE LA SOBRECARPETA R 8.6.6.8 DESVIACIÓN STANDARD SUBDRENAJE DE LA LOSA EXISTENTE EXISTENTE 8.6.6.9 C APACIDAD DE SUBDRENAJE 8.6.7. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR EFECTIVO DE LOSA DE PAVIMENTO EXISTENTE, DEF (P ASO 7) 8.6.7.1 OBSERVACIÓN DEL ESTADO DEL PAVIMENTO EXISTENTE. 8.6.7.2 MÉTODO VIDA REMANENTE . 8.6.8. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR DE LA SOBRECARPETA (P ASO 8) 8.7. BERMAS 8.8. JUNTAS EFUERZO 8.9. R EFUERZO SEPARACIÓN 8.10. C APA DE SEPARACIÓN 8.11. ENSANCHAMIENTO 8.12. EJEMPLOS DE DISEÑO

LOSA DE HORMIGÓN SOBRE PAVIMENTO DE CONCRETO ASFÁLTICO 9.1. INTRODUCCIÓN 9.2. F ACTIBILIDAD 9.3. T AREAS DE REPARACIÓN PREVIAS 9.4. CONTROL DE REFLEXIÓN DE FISURAS 9.5. SUBDRENAJE 9.6. DISEÑO DE ESPESORES 9.6.1. DISEÑO DEL PAVIMENTO EXISTENTE (P ASO 1) 9.6.2. A 9.6.2. ANÁLISIS DE TRÁNSITO (P ASO 2) 9.6.3. OBSERVACIÓN DEL ESTADO DEL PAVIMENTO EXISTENTE (P ASO 3) 9.6.4. ENSAYOS DE DEFLEXIÓN (P ASO 4) 9.6.5. MUESTREO Y ENSAYO DE MATERIALES (P ASO 5) 9.6.6. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE LOSA PARA EL TRÁNSITO FUTURO, DF (P ASO 6) 9.6.6.1 MÓDULO K ESTÁTICO EFECTIVO 9.6.6.2 PÉRDIDA DE SERVICIABILIDAD DE DISEÑO. TRANSFERENCIA DE CARGAS J 9.6.6.3 F ACTOR DE TRANSFERENCIA 9.6.6.4 MÓDULO DE ROTURA DE LA SOBRECARPETA 9.6.6.5 MÓDULO ELÁSTICO DE LA SOBRECARPETA . 9.6.6.6 PÉRDIDA DE SOPORTE DE LA LOSA EXISTENTE. 9.6.6.7 CONFIABILIDAD DE DISEÑO DE LA SOBRECARPETA R 9.6.6.8 DESVIACIÓN ESTANDARD

123 123 124 124 124 125 125 126 126 127 127 127 127 127 128 128 128 128 128 128 128 130 131 131 131 131 131 132 132

138 138 138 139 139 139 139 140 140 140 140 140 140 141 141 141 141 141 142 143 143 v


SUBDRENAJE 9.6.6.9 C APACIDAD DE SUBDRENAJE 9.6.7. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR DE SOBRECARPETA (P ASO 7) 9.7. BERMAS 9.8. JUNTAS 9.9. R EFUERZO EFUERZO 9.10. ENSANCHAMIENTO 9.11 EJEMPLO DE DISEÑO

143 144 144 144 144 144 144

vi


CAPITULO 1 REHABILITACIÓN DE PAVIMENTOS CON SOBRECARPETAS 1.1. Introducción Los procedimientos actuales AASHTO de diseño de sobrecarpetas son el resultado de muchos años de investigación y ensayos de campo sobre pavimentos y su desempeño. La conclusión del AASHO Road Test en 1960, que estudió el desempeño de pavimentos sujetos a cargas conocidas de tráfico, llevó al desarrollo de modelos para el dimensionamiento de pavimentos flexibles y rígidos. Aunque no se realizaron estudios específicos de sobrecarpetas en el AASHO Road Test, se estudió el desempeño de pavimentos flexibles y rígidos que fueron reencarpetados con asfalto. Luego se han realizado esfuerzos continuos para mejorar las ecuaciones de diseño y para extender su aplicación a las sobrecarpetas. Este manual de diseño de sobrecarpetas toma en cuenta estos aspectos como resultado de las innovaciones que se han realizado en los últimos años. Las sobrecarpetas de asfalto u hormigón sobre pavimentos existentes se utilizan para corregir fallas funcionales o estructurales de pavimentos existentes. Es necesario aclarar bien cuándo se trata de falla funcional o de falla estructural, dado que de esto depende el tipo de sobrecarpeta a proyectar. Las fallas funcionales son aquéllas que afectan directamente o indirectamente al usuario, como ser una pobre fricción superficial, una textura rugosa, efectos de deslizamiento de vehículos por hidroplaneo (agua entre las llantas y el pavimento), presencia de ahuellamientos, hundimientos, asentamientos en el pavimento, etc. Por otro lado las fallas estructurales son aquellas que afectan la capacidad del pavimento para soportar las cargas. Ejemplos de fallas de este tipo son: espesor inadecuado, fisuras, distorsiones y desintegraciones. Muchas de estas fallas no son sólo provocadas por la acción del tránsito sino por otras causas como ser: malas técnicas de construcción, fisuración por alto gradiente térmico o baja temperatura, etc. Además la acción del tránsito acelera el propio proceso de deterioro. En las primeras versiones de la Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO, no se indicaba nada en relación al diseño de sobrecarpetas hasta la versión de 1986 donde aparecieron los conceptos de capacidad estructural y vida remanente. En la versión de 1993 se corrigieron las limitaciones de esta primera versión y se obtuvo el método que actualmente está en vigencia. El diseño de sobrecarpetas se basa en el concepto de “deficiencia estructural”. Esencialmente se basa en que la capacidad estructural de una sobrecarpeta colocada encima de un pavimento existente debe satisfacer la deficiencia entre la capacidad estructural requerida para soportar el tráfico futuro sobre un periodo de diseño especificado y la capacidad estructural efectiva del pavimento. Los distintos tipos de sobrecarpetas a estudiar son: Tabla 1.1

Sobrecarpeta

Pavimento existente

Concreto asfáltico Concreto asfáltico (CA) Concreto asfáltico Hormigón previamente fracturado o triturado Concreto asfáltico H. Simple, H. reforzado con juntas o H. contínuam. Reforzado Concreto asfáltico CA s/H. Simple, H. reforzado con juntas o H. contínuam. Reforzado Hormigón adherido Hormigón Hormigón no adherido Hormigón Hormigón Concreto Asfáltico Rehabilitación de Pavimentos con Sobrecarpetas

1


1.2. Factibilidad de una sobrecarpeta como una alternativa de rehabilitación De acuerdo a la experiencia, la materialización de sobrecarpetas es la técnica de rehabilitación de pavimentos más utilizada. Generalmente éstas se construyen sin que importe su aplicabilidad o efectividad desde el punto de vista de costos. En algunos casos, puede ser que otras alternativas sean más factibles desde la óptica de costos. Las cuatro principales técnicas de rehabilitación que deberían ser consideradas para cada proyecto consisten de: -

Restauración – el tipo de trabajo requerido para llevar a la estructura existente del pavimento a una condición de desempeño satisfactoria, sin la colocación inmediata de una sobrecarpeta.

-

Reciclado – la reutilización de los materiales existentes de carpeta, base o subbase para mejorar la integridad estructural y de durabilidad. Usualmente se añanden nuevos materiales a los existentes para mejorar su resistencia y durabilidad.

-

Reencarpetado – adición de sobrecarpetas para proveer una estructura adicional o una mejora en la serviciabilidad.

-

Reconstrucción – completa remoción de la sección del pavimento y reemplazo con un nuevo diseño.

Los proyectistas deben evaluar las deficiencias en los pavimentos y determinar las causas de deterioro antes de seleccionar una sobrecarpeta como una alternativa de reparación. La figura a continuación presenta para pavimentos rígidos la relación entre su condición y la alternativa que es más apropiada en un tiempo dado.

Fig 1.1 El espectro de la rehabilitación de pavimentos rígidos (Darter y Hall 1990)

Rehabilitación de Pavimentos con Sobrecarpetas

2


Las diversas técnicas de rehabilitación (reparación en espesor total y parcial, resellado de juntas y fisuras, lechada a presión, fresado, mejoras en subdrenaje, recolocado de barras pasajuntas y tratamientos superficiales) pueden también ser usadas conjuntamente a una sobrecarpeta para asegurar un mejor desempeño. Sin embargo, en algún punto del tiempo, la extensión del deterioro podría hacer que la reconstrucción sea más factible desde el punto de vista de costos que el colocado mismo de una sobrecarpeta. Los datos a recabar para una evaluación amplia del estado del pavimento se realizan para conocer las causas y extensión de los deterioros. Debe obtenerse información sobre las siguientes categorías: -

Condición del pavimento (deterioro, rugosidad, fricción superficial, deflexiones)

-

Condición de la berma

-

Diseño del pavimento

-

Materiales y propiedades de los suelos

-

Volumen de tráfico y cargas (valores (valores presentes; futuros y si se puede pasados) pasados)

-

Condiciones climáticas

-

Condiciones de drenaje

-

Factores geométricos

-

Aspectos de seguridad

La recolección de datos debe seguir un trabajo sistemático y lógico que facilite la evaluación minimizando costos y tiempo. Los pasos que deben seguirse consisten en: -

Datos de la agencia: localización proyecto, año de construcción, diseño pavimentos, materiales disponibles, tráfico, clima y datos de construcción.

-

Datos de inspección de campo: incluye deterioro; observaciones al drenaje; mediciones de rugosidad; opciones posibles de control de tráfico y aspectos de seguridad.

-

Evaluación de los datos recolectados: cálculo de los ESALs, análisis de los tipos de deterioro, niveles de severidad y causas y determinación de la necesidad de datos adicionales.

-

Según la inspección de campo: incluye trabajos como la extracción de núcleos; muestreos de materiales; ensayos de deflexión; rugosidad; resistencia al deslizamiento y drenaje superficial.

-

Ensayos de laboratorio: obtención de resistencia de materiales; permeabilidad; composición; densidad y granulometría.

-

Segunda evaluación de datos: evaluación de datos obtenidos y determinación de qué datos adicionales son necesarios para completar el estudio.

-

Compilación de datos de campo y oficina: incluye la preparación de un informe final.


3


Luego de que los datos fueron recolectados y evaluados, el ingeniero de diseño debe desarrollar varias soluciones que sean candidatas a remediar las causas de deterioro. Las tablas siguientes contienen recomendaciones específicas para que se seleccione la reparación adecuada y se evite su recurrencia. Tabla 1.2. Reparaciones y métodos preventivos para pavimento rígido rígido (AASHTO 1993).

Deterioro

Métodos de reparación

Métodos preventivos

Bombeo

Inyección

Resellar juntas Restauración de transferencia de carga Subdrenaje Soporte de esquina

Escalonamiento

Fresado Sobrecarpeta estructural

Inyección Resellado de juntas Restauración de Transferencia de carga Subdrenaje Soporte de esquina

Fisuras en losas

Reparación de espesor total Reemplazo/Reciclar carril

Inyección ante la pérdida de soporte Restauración de Transferencia de carga Sobrecarpeta estructural

Desportilladuras en juntas y fisuras

Reparación en espesor total Reparación de espesor parcial

Resellado de juntas

Levantamiento

Reparación en espesor total

Juntas de disminución de presión Resellado de juntas y fisuras

Punzonamiento


Grout con polímeros o epóxicos Lechada por pérdida de soporte Bermas rígidas


4


Tabla 1.3 Reparaciones y métodos preventivos para pavimento flexible flexible (AASHTO 1993).

Deterioro

Métodos de reparación

Métodos preventivos

Fisuras en piel de cocodrilo


Exudación

Aplicar arena caliente

Fisuras en bloque

Sellado de fisuras

Depresión

Sobrecarpeta de nivelación

Agregados pulidos

Resistencia al deslizamiento Tratamiento superficial Sello

Baches


Sellado de fisuras y sellos de capa

Bombeo


Sellado de fisuras y sellos de capa

Descascaramiento y oxidación

Sellos de capa

Agente rejuvenecedor

Ahuellamiento

Sobrecarpeta de nivelación y fresado en frío

Hinchamiento

Remoción y reemplazo


Sellado de fisuras

Impermeabilización de la berma

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CAPITULO 2 METODOLOGÍA DE DISEÑO DE SOBRECARPETAS 2.1 Conceptos de capacidad estructural y deficiencia estructural Capacidad estructural es esencialmente la medida de la habilidad de un pavimento de soportar cargas de tráfico repetitivas durante el tiempo. Para un pavimento nuevo, esta capacidad decrecerá con el tiempo y el deterioro de la estructura. En este entendido, para un pavimento con una capacidad estructural SC ol, salvo cualquier rehabilitación mayor, el tiempo y las cargas de tráfico reducirán su capacidad a alguna capacidad estructural efectiva SC ef , en el futuro. Esto se ilustra en el gráfico que se presenta a continuación donde el pavimento pasa de una serviciabilidad P 1 a P2. Siguiendo este principio, el método de diseño de sobrecarpetas, usando los procedimientos de diseño AASHTO se basa en el concepto de "deficiencia estructural”. Según lo indicado por la figura 2.1, para un pavimento con una capacidad estructural efectiva SC ef , si la capacidad estructural requerida para soportar el tráfico futuro durante un período especificado del diseño es denotada por SCf , entonces la diferencia entre SC f y y SC ef representa representa la deficiencia estructural que necesita ser corregida. SCol = SCf - SCef

(2.1)

Obviamente, la capacidad estructural requerida será correcta solamente si SC f y y SC ef se se determinan con precisión. Puesto que la capacidad estructural necesaria para soportar el tráfico futuro es igual a la de un diseño de pavimento nuevo, SC f no no es muy difícil de determinar. Por lo tanto, SC ef es es el parámetro crítico que necesita ser determinado. En el diseño actual de sobrecarpetas, la capacidad estructural para los pavimentos existentes es representada por el número estructural (SN) para los pavimentos flexibles y por el espesor de la losa (D) para los pavimentos rígidos. La capacidad estructural eficaz es denotada por SN ef para los revestimientos flexibles y por D ef para los pavimentos rígidos y compuestos. La capacidad estructural requerida para soportar el tráfico futuro es denotada por SN f para los revestimientos flexibles y por D f para los pavimentos rígidos y compuestos. De acuerdo con los principios expuestos, el diseño de sobrecarpetas usando los procedimientos AASHTO implica básicamente los pasos siguientes: siguientes: -

Determinación de SN f o o Df .

-

Determinación de SN ef o o Def para para caracterizar la capacidad estructural existente

-

Determinación de SN ol o Dol.

Los SNf y el Df se determinan usando las ecuaciones de diseño de AASHTO para pavimentos nuevos flexibles y rígidos, respectivamente. SN ef y y Def son son determinados a

Metodología de Diseño de Sobrecarpetas

6


Figura 2.1. Ilustración de la pérdida de la capacidad capacidad estructural en función al tiempo y tráfico

partir de una evaluación estructural del pavimento existente. Si la relación decreciente en la figura 2.1 estuviera bien definida, esta evaluación para determinar la capacidad estructural eficaz es directa. Sin embargo, esta relación no está bien establecida, lo que hace de la evaluación estructural del pavimento existente un aspecto muy importante de los procedimientos de diseño de sobrecarpetas o refuerzos de AASHTO. Los métodos recomendados para que la evaluación estructural determine la capacidad estructural eficaz se presentan en la sección siguiente.


7


2.2 Métodos de evaluación estructural para diseño de sobrecarpetas Para el diseño de sobrecarpetas, es importante que se considere la condición actual de los materiales del pavimento existente y el comportamiento de estos materiales en el futuro. Los siguientes tres métodos están disponibles para la evaluación de la capacidad estructural efectiva de pavimentos existentes: -

Inspección visual y ensayo de materiales – Análisis de la condición del pavimento. Este método involucra la obtención de las condiciones actuales del pavimento basado en las inspecciones del deterioro y del drenaje y usualmente ensayos de materiales y obtención de núcleos. El levantamiento de deterioros es diferente según el tipo de pavimento y de acuerdo a la severidad de éste. La idea es poder comparar cómo han cambiado las propiedades de los materiales comparadas con las condiciones cuando éste era nuevo.

-

Ensayos no destructivos de deflexión - Análisis a partir del deflectómetro de Impacto FWD. Este método involucra una evaluación directa de la resistencia de la subrasante y el pavimento existente. Para pavimentos rígidos se utiliza para determinar la transferencia de carga en juntas y fisuras, estimar el módulo k efectivo de la subrasante y el módulo de elasticidad del hormigón. En pavimentos flexibles para determinar el módulo resiliente del suelo y para estimar un Número Estructural Efectivo del pavimento en su conjunto. No se recomienda retro-analizar el módulo individual de cada capa del pavimento y luego con estos valores determinar el SN ef debido debido a que se requeriría un nivel de sofisticación que no existe en el método de diseño.

-

Daño por fatiga por tráfico – Vida Remanente. Este método utiliza el conocimiento del tráfico pasado para conocer el daño por fatiga y de esta manera estimar la fatiga remanente en el pavimento. Este procedimiento es más aplicable para pavimentos con deterioro leve.

2.2.1 Inspección visual y ensayo de materiales La observación de las condiciones del pavimento es un importante componente en la determinación de la capacidad estructural efectiva. La observación debe comenzar con la revisión de toda la información disponible tomando en cuenta al diseño, construcción e historia de mantenimiento. Esta revisión debe ser seguida por una inspección detallada para identificar el tipo, cantidad, severidad y localización de cada deterioro. Los deterioros claves que indican las deficiencias estructurales son diferentes para pavimento flexible que para pavimento rígido. Las cargas de tráfico no son la causa única para todos los tipos de deterioro, aunque éstas pueden incrementar su severidad y reducir la capacidad de carga del pavimento. Los siguientes tipos de deterioro indican deficiencia estructural en superficies de concreto asfáltico: -

Fatiga o fisuras en forma de piel de cocodrilo en las huellas h uellas vehiculares

- Ahuellamiento en las huellas vehiculares vehiculares -

Fisuras transversales o longitudinales desarrolladas en los baches

- Áreas falladas localizadas donde las capas inferiores con desintegradas y ocasionan el

colapso de la superficie de concreto asfáltico


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Similarmente, los siguientes deterioros son indicación de deficiencias de pavimentos rígidos: -

Deterioro (desportilladuras o escalonamiento) con fisuras transversales y longitudinales

-

Fisuras de borde en juntas y fisuras transversales

- Áreas localizadas falladas donde la losa de hormigón se está desintegrando y ocasionando

desportilladuras y baches (por ejemplo, fallas por problemas de durabilidad)

-

Punzonamientos localizados, principalmente en pavimentos continuamente reforzados

Una inspección del drenaje debería acompañar a la inspección de campo. En esta faena se determina e identifica la relación de la humedad con los problemas del pavimento y se localiza los sectores que necesitan mejoras para, de esta manera, reducir la influencia del agua en el desempeño del pavimento. Adicionalmente a la inspección visual, se recomienda un programa de extracción de núcleos para verificar o identificar las causas del deterioro observado en la superficie. Las ubicaciones para realizar la extracción de núcleos deben ser seleccionadas para asegurar que todas las condiciones significativas han sido representadas. Los ensayos no destructivos pueden también ser usados para seleccionar adecuadamente los mejores lugares para la extracción. Esta extracción también es útil para determinar el espesor de materiales y sus condiciones. Una inspección detallada de los núcleos extraídos provee gran información. De todas maneras, estas muestras salen con alguna alteración, en especial en pavimentos de asfalto. El programa de ensayos debería determinar cómo los materiales existentes se comparan con los que se usarán para la construcción del nuevo pavimento, cómo los materiales han cambiado desde la construcción y qué materiales están funcionando según lo esperado. Los tipos de ensayos a ser desarrollados dependen del tipo de material y tipos de deterioro observados. Los ensayos típicos deben incluir la determinación de la resistencia en los núcleos de asfalto y hormigón, ensayos de granulometría para determinar evidencias de degradación o contaminación de materiales granulares y extracción de testigos para conocer contenidos del ligante. Los núcleos que presenten problemas de durabilidad deben ser examinados por petrografía para que se identifiquen las causas del problema.

2.2.2 Ensayos no destructivos de deflexión Los ensayos no destructivos de deflexión son una tecnología extremadamente valiosa y rápida. Cuando se la aplica adecuadamente puede proveer de una vasta información a muy razonables costos de tiempo, dinero y esfuerzo. El análisis de los datos obtenidos, sin embargo, puede ser muy sensible a condiciones desconocidas y deben ser realizadas por profesionales experimentados. Estos ensayos difieren para su realización del tipo de pavimento. Para pavimentos rígidos la evaluación sirve para las siguientes tres funciones: - Analizar la eficiencia de transferencia de carga en juntas y fisuras - Estimar el módulo efectivo de la subrasante (módulo k) - Estimar el módulo de elasticidad del hormigón


9


Para el caso de pavimentos flexibles, se cumplen dos funciones: - Estimar el módulo resiliente de la subrasante - Proveer una estimación directa del SN ef de de la estructura del pavimento Algunas entidades de carreteras usan el ensayo no destructivo por deflexiones para retrocalcular el módulo individual de las capas individuales de pavimentos flexibles para luego estimar con estos módulos el SN ef . Esta aproximación no se recomienda con el diseño de sobrecarpetas de la AASHTO, porque esto implica y requiere niveles de sofisticación que no existen dentro de los conceptos del número estructural. Al mismo tiempo, vale la pena recalcar que para el ensayo no destructivo por deflexiones se puede estimar el SN ef pero pero no el Def . Adicionalmente a la evaluación estructural, el ensayo no destructivo por deflexiones puede proveer otros datos útiles en el proceso de diseño. Los datos de deflexiones pueden ser usados para cuantificar la variabilidad a lo largo de un proyecto y para subdividir éste en segmentos de similar resistencia. Esto también puede ser usado para estimar los valores del módulo resiliente para varios tipos de capas. Aunque este procedimiento no usa estos valores para determinar la condición estructural, el retrocálculo de un valor inusualmente bajo para cualquier capa es una fuerte indicación de que un estudio detallado de la condición de la capa es necesario.

2.2.3 Vida Remanente El concepto de Vida Remanente depende directamente de los conceptos ilustrados en la figura 2.2, que asume que las cargas repetidas dañan gradualmente un pavimento y reducen el número de cargas adicionales que pueden llevar al pavimento hasta la falla. En un momento dado, aunque ninguna indicación directamente observable del daño pueda existir, una reducción en capacidad estructural en términos de capacidad de carga futura puede estar presente. Para determinar la vida remanente, el proyectista debe determinar la cantidad de tráfico real que el pavimento ha soportado hasta la fecha (N P) y la cantidad de tráfico total que llevaría al pavimento al nivel de falla (N1.5). De acuerdo con las ecuaciones del AASHO Road Test, la “falla de un pavimento” se define cuando éste alcanza una serviciabilidad de 1.5. Ambas cantidades del tráfico se deben expresar en 80-kN (18-kip) ESALs. La diferencia entre estos valores, expresados como un porcentaje del tráfico total de falla, se define como vida remanente: RL = 100 * ( 1 – ( Np / N1.5 ) )

(2.2)

donde: RL = Vida remanente, en porcentaje Np = Tráfico total a la fecha del diseño, en ESALs N1.5 = Tráfico total hasta la falla, en ESALs Usando el concepto de Vida Remanente, el proyectista puede obtener el factor de condición (C F) de la figura 2.2 (AASHTO 93) con la siguiente ecuación: CF = SCn / SCo

(2.3)

donde:


10


SCn = Capacidad estructural del pavimento luego de N p ESALs SCo = Capacidad estructural original del pavimento La capacidad estructural existente puede ser estimada multiplicando la capacidad estructural original por CF. Por ejemplo, el número estructural original (SN o) de un pavimento flexible puede ser calculado con los datos de espesor y coeficiente estructural. El SN ef del del pavimento basado en los conceptos de vida remanente puede ser definido a partir de la siguiente ecuación: SNef = CF * SNo

(2.4)

Para la determinación de N 1.5 se usan las ecuaciones de diseño de AASHTO. Para llegar a un nivel de serviciabilidad de 1.5, considerando una confiabilidad del 50%. Al usar este procedimiento, el diseñador no debe alarmarse si encuentra que N p excede a N1.5, dando por resultado una vida remanente negativa. Tales resultados reflejan la variabilidad del desempeño del pavimento y los errores resultantes de la predicción en las ecuaciones AASHTO del desempeño/diseño. Cuando sucede esto, el diseñador puede utilizar el valor mínimo para CF (0.50) o no utilizar el método de la vida remanente. En la determinación de SN ef y y Def las las fuentes principales de error se deben a: -

La capacidad predictiva de las ecuaciones del AASHO Road Test

-

La gran variación en el desempeño típicamente observado, incluso dentro de pavimentos con idénticos diseños

-

Estimación en los ESALs pasados

-

Imposibilidad de tomar en cuenta la contribución de las reparaciones de sobrecarpetas en el pavimento

Como resultado de lo anterior, el método para determinar la vida remanente del pavimento puede algunas veces producir resultados erróneos. Puede llegarse a valores de vida remanente extremadamente bajos aunque se presente muy poco deterioro asociado a las cargas, o por el contrario la estimación puede arrojar valores extremadamente altos aunque se presente un deterioro asociado a las cargas entre mediano y alto. En cualquier punto de estos dos extremos, la vida remanente calculada para el tráfico pasado no refleja la magnitud del daño por fatiga en el pavimento, pero discernir esto del deterioro observado puede ser incluso más dificultoso. Si el cálculo de la vida remanente parece ser una ventaja con la magnitud y severidad del deteriorado presente asociado a la carga, el proyectista no debe usar este método para calcular la capacidad estructural del pavimento existente. De la misma manera, el método de la vida remanente no es directamente aplicable a pavimentos que ya han recibido una o más sobrecarpetas.


11


Figura 2.2. Relación entre el factor de condición y la vida remanente (AASHTO 1993)

2.3 Determinación de las condiciones de soporte La determinación de las condiciones de soporte es una consideración importante en el diseño de sobrecarpetas mediante la Guía de Diseño de pavimentos AASHTO. Para sobrecarpetas de concreto asfáltico sobre concreto asfáltico y pavimento rígido fracturado, el soporte de la subrasante está caracterizado por el módulo resiliente de la subrasante. Para los otros cinco tipos de sobrecarpetas, el módulo k es el que gobierna. Cualquiera de los siguientes métodos está disponible para que el proyectista de pavimentos determine el soporte de la subrasante: - Ensayos de laboratorio y/o in situ - Retrocálculo con ensayos no destructivos (por ejemplo, FWD) - Estimación por correlación con estudios de suelos y propiedades materiales - Diseño original o datos de construcción Para los pavimentos existentes, el retrocálculo con ensayos no destructivos del soporte de la subrasante está llegando a ser cada vez más atractivo con la proliferación de equipos, tales como el Metodología de Diseño de Sobrecarpetas

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deflectómetro de impacto (FWD). Aparte del soporte de subrasante, las mediciones con este equipo se pueden también utilizar para determinar los datos como módulos de capas y transferencia de carga, sin la necesidad de alterar físicamente el pavimento. También, varios ensayos se pueden realizar en un breve periodo de tiempo, dando resultado un menor costo. En lo posible, es deseable también obtener núcleos y muestras de los materiales de cada capa de un pavimento y de la subrasante para pruebas de laboratorio.

2.3.1. Módulo resiliente de diseño Independientemente del método usado para determinar el módulo resiliente, éste debe ser consistente con el valor usado de la subrasante en el AASHO Road Test. Especialmente cuando el módulo resiliente es estimado por ensayos no destructivos en una subrasante de espesor infinito, el valor es típicamente más alto que los valores medidos en laboratorio y por tanto, deben ser ajustados. Si no se hace este ajuste, el SN f puede resultar muy bajo y la sobrecarpeta subdimensionada. 2.3.1.1 Retrocálculo del módulo resiliente con datos de ensayos no destructivos Un método simple para estimar el módulo resiliente a partir de deflexiones medidas en la superficie de pavimentos por capas ha sido propuesto por Ullidtz (1977; 1987). Este método está basado en las siguientes observaciones para una estructura elástica por capas: - Cuando la distancia desde la carga se incrementa, la compresión de las capas arriba de la subrasante llega a ser menos susceptible de ser medida en la superficie del pavimento - Cuando la distancia de la carga se incrementa, la aproximación de una carga distribuida por un punto de carga mejora. La primera observación significa que a alguna distancia radial suficiente desde la carga aplicada, la deflexión medida en la superficie del pavimento es influenciada mayormente por la deflexión en la parte superior de la subrasante. De esta manera, la deflexión medida depende enteramente en las propiedades elásticas de la subrasante, sin tomar en cuenta el número, espesor y propiedades elásticas de las capas superiores. La segunda observación resulta de una comparación de a) deflexiones que resultan de una carga circular distribuida predeterminada usando el programa de capas elásticas BISAR a varias distancias radiales en un pavimento de capas a b) deflexiones predeterminadas a las mismas distancias usando la ecuación de Boussinesq para un sistema de una sola capa. De estas observaciones, asumiendo un módulo de Poisson de 0.15, se ha determinado que la subrasante puede ser retrocalculada con datos de ensayos no destructivos usando la siguiente ecuación: M R =

0.24 P d r r

(2.5 )

donde; MR = = Módulo Resiliente retrocalculado P = Carga aplicada


13


dr = Deflexión a la distancia r medida desde el centro de la carga r = Distancia desde el centro de carga Para propósitos prácticos, la deflexión usada en esta ecuación debería ser lo más cercana posible a la del plato de carga, debido a que el efecto de la medida del error es magnificada cuando la magnitud de la medición de deflexión decrece. De todas maneras, la distancia debe también ser suficientemente lejana desde el plato de carga para satisfacer las consideraciones asumidas. El siguiente análisis fue desarrollado para determinar la mínima distancia radial r a la cual las deflexiones pueden ser medidas sin introducir un error en el módulo resiliente retrocalculado usando la ecuación 2.5. Los cuencos de deflexión fueron generados usando un programa de capas elásticas para pavimentos con espesores totales entre 250 a 900 mm (10 a 36 pulg) y espesores de concreto asfáltico desde 50 a 400 mm (2 a 16 pulg). Las deflexiones a varias distancias radiales luego fueron usadas para retrocalcular el módulo resiliente con la ecuación 2.5, la cual fue luego comparada con los valores de módulos usados en el análisis de capas elástico. La figura 2.3 presenta la relación de lo retrocalculado a los valores de los módulos actuales para una subrasante dibujada contra el radio r y el radio efectivo a e, de las tensiones de bulbo en la interface pavimento-subrasante. Asumiendo un módulo de Poisson de 0.15, a e puede ser determinada usando la siguiente ecuación:

ae =

 2 a +  D 

2

3

E p  M R 

(2.6)

donde: ae = radio del bulbo de tensión en la interface pavimento subrasante a = radio del plato de carga D = espesor total del pavimento por encima de la subrasante Ep = módulo efectivo de todas las capas del pavimento por encima de la subrasante MR = = módulo resiliente de la subrasante Un examen de los resultados de este análisis se presentan en la figura 2.3, donde se indica que la relación del módulo retrocalculado para la subrasante es igual a uno a distancias radiales mayores o iguales a 0.7*ae. Consecuentemente, una distancia mínima de 0.7*a e se recomienda como la distancia a la cual las deflexiones medidas pueden ser tomadas como precisas a las del retrocálculo de módulo resiliente. Las deflexiones a esta distancia también satisfacen lo asumido en la ecuación 2.5.


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Figura 2.3. Influencia de la distancia radial en la precisión de los valores de módulo resiliente retrocalculados (AASHTO 1993)

2.3.1.2 Correcciones en el módulo resiliente retrocalculado por ensayos no destructivos El método recomendado para determinar el módulo resiliente de diseño con retrocálculo a partir de ensayos no destructivos requiere el ajuste del factor C para hacerlo consistente con el valor que representa la subrasante del AASHO en el modelo de 1960. Un módulo de subrasante con valor de 20.7 MPa (3,000 lb/pulg 2) fue usado en el suelo del AASHO Road Test para el desarrollo del modelo de desempeño de pavimento flexible. Este valor es consistente con los datos de ensayos de laboratorio con muestras tomadas del sitio del AASHO Road Test, reportados por Thompson y Robnett (1976), tal como se presenta en la figura 2.4. De acuerdo a esta figura, un módulo resiliente de 20.7 MPa (3,000 lb/pulg 2) es apropiada para el suelo AASHO que es alrededor 1 por ciento más húmedo que el óptimo y que fue sujeto a una tensión de desviación de 41 kPa (6 lb/pulg2) o más. De todas maneras, la figura también indica que el módulo resiliente del AASHO Road Test es dependiente de las tensiones y se incrementa rápidamente para tensiones desviadoras menores a 41 kPa (6 lb/pulg2). En la práctica, la tensión desviadora de la subrasante a la distancia radial usada en la ecuación 2.5 será al menos siempre mayor a 41 kPa (6 lb/pulg2). De esta manera, el módulo de subrasante determinado por retrocálculo puede esperarse que sea tan alto para que sea consistente con los 20.7 MPa (3,000 lb/pulg2) usados en la subrasante del AASHO Road Test. De todas maneras, el factor de corrección necesita ser aplicado a la ecuación 2.5 para ajustar los valores del módulo resiliente retrocalculado y obtener los de diseño. La ecuación resultante es como sigue:


15


 0.24 P   r d  r 

Design MR = C 

(2.7)

En base a varios estudios comparativos, se recomienda un valor menor a 0.33 para C a fin de ajustar los valores de módulo resiliente retrocalculados a los valores de diseño.

(110)

(96)

(83)

(69)

(55)

(41)

(28)

(14) (MPa) (34)

(69)

(103)

(138)

(172)

(207) (kPa)

Figura 2.4. Ensayos del módulo resiliente del AASHO Road Test


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2.3.2 Módulo de reacción de subrasante El módulo k estático efectivo debajo de la losa de pavimento rígido se requiere para el diseño de todas las sobrecarpetas sobre pavimento rígido que no son fracturadas. Los métodos disponibles para determinar el módulo k estático efectivo incluyen lo siguiente: - Retrocálculo del módulo k dinámico efectivo del cuenco de deflexión y la división por 2 para obtener el módulo k estático efectivo. - Desempeño del ensayo del plato de carga luego de la remoción de la losa en algunos pocos lugares - Estimación desde datos de suelos, tipo de base y espesor usando nomogramas de varias entidades. Se recomienda usar el módulo k retrocálculado para el diseño de sobrecarpetas de AASHTO. El ensayo del plato de carga es muy costoso (se ensaya en sectores donde la losa ha sido retirada) y consume mucho tiempo. El uso de nomogramas provee valores muy aproximados que deben usarse sólo en caso de no disponer de los otros métodos. Independientemente del método usado, el módulo k puede necesitar ser ajustado para efectos estacionales si existe evidencia de efectos de consideración. 2.3.2.1 Módulo k retrocalculado El procedimiento recomendado para retrocalcular el módulo k efectivo de ensayos no destructivos está basado en el concepto de AREA que fue originalmente propuesto por Hoffman y Thompson (1981). Ellos propusieron un modelo simple con dos parámetros para retrocalcular de la superficie y fundación el módulo de dos capas para sistemas de pavimentos flexibles. La propuesta consistió en calcular el AREA con la siguiente ecuación que caracteriza el cuenco de deflexión:



 d 12   d   d    + 2  24  +  36    d 0   d 0   d 0  

AREA = 6  1 + 2 



(2.8)

donde: d0 = deflexión en el centro del plato de carga (pulg o mm) di = deflexiones a 12, 24 y 36 pulg del centro (pulg o mm) AREA tiene unidades de longitud desde el hecho de que cada una de las deflexiones está normalizada con respecto a d o. Esta normalización ha sido realizada con el objeto de eliminar el efecto de diferentes niveles de carga y para restringir el rango de valores obtenidos. AREA y d o son parámetros independientes para los cuales el módulo de superficie y fundación están determinados. El concepto de AREA fue subsecuentemente aplicado al retrocálculo del módulo elástico de losas de pavimento rígido y valores de módulo k (ERES 1982; Foxworthy 1985). Investigaciones posteriores de este concepto por Ioannides (1990) y Barenberg y Petros (1991) llevaron a un procedimiento que reemplaza el cálculo gráfico e iterativo. Esta solución está basada en el hecho de que, para un radio de carga dado y una posición determinada de los sensores, existe una única relación entre AREA y el radio rigidez relativa en el sistema del pavimento. El radio de rigidez relativa se calcula en función al módulo k con la siguiente fórmula: Metodología de Diseño de Sobrecarpetas

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k

=

E pcc D pcc

4

3

(2.9)

2

12 (1 - μ pcc ) k

donde: lk

Epcc Dpcc µpcc

k

= = = = =

radio de rigidez relativa. módulo elástico hormigón espesor hormigón módulo de Poisson del hormigón módulo k efectivo

Para un plato de carga de 150 mm de radio (5.9 pulg) la figura 2.6 ilustra la relación entre AREA y el radio de rigidez relativa derivada de la siguiente ecuación de Hall (1991).

 k

  36 AREA    ln 1812.279133      =   - 2.559340     

4.387009

(2.10)

Con AREA calculado con deflexiones medidas del FWD usando la ecuación 2.8, el radio de rigidez relativa puede ser obtenido de la ecuación 2.10 o figura 2.6. El módulo k efectivo puede luego ser obtenido de la ecuación de deflexiones de Westergard (1939) 2  P    1    a    a    1+  k =   + γ 1.25       ln  2  π 2 2 8      d 0 k     k    k  

(2.11)

donde: d0 = deflexión máxima P = carga = constante de Euler, Euler, 0.57721566490. a = radio de carga La figura 2.6 ha sido desarrollada de la ecuación 2.11, para una carga de 40 kN (9,000 lb) y un radio de carga de 150 mm (5.90 pulg). Usando la figura 2.6 el módulo k dinámico efectivo puede ser determinado de la máxima deflexión en el centro del plato circular de radio 150 mm bajo la carga de 40 kN (9,000 lb) y un valor de AREA determinado de la ecuación 2.8. Para cargas dentro del rango entre 9kN y 40 kN (2,000 a 9,000 lb), las deflexiones do y di pueden ser determinadas linealmente a deflexiones de carga a 40 kN. El módulo k retrocalculado de ensayos no destructivos de deflexión es justamente el módulo k dinámico. En el análisis del AASHO Road Test, los valores del módulo k repetidos fueron encontrados en exceso de 1.77 en promedio. En 1985 Foxworthy analizó los datos recolectados de siete bases de la Fuerza Area las cuales indicaron que los valores de módulos dinámicos excedieron los estáticos por un factor de 2.3 en promedio. Reduciendo estos valores por 2 se encontraron módulos k racionales. De esta manera, como se recomienda en la Guía AASHTO, los valores retrocalculados deben ser divididos entre dos para obtener los de diseño.


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(915) (810)

(710)

(610) (510) (150 mm)

(405) (mm)

(380)

(760)

(1150)

(1525)

(1900) (mm)

Figura 2.5. Relación entre AREA y l k k (Hall 1991)


19


(27)

(14) (40 KN)

(kPa/mm)

(150 mm)

(41)

(54) (68) (81)

(135) (270)

(585)

(660)

(740)

(810)

(890) (mm)

Figura 2.6. Módulo k dinámico efectivo determinado con d o y AREA (AASHTO 1993)


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CAPITULO 3 CONCRETO ASFÁLTICO SOBRE PAVIMENTO DE CONCRETO ASFÁLTICO 3.1. Introducción Previo a la colocación de concreto asfáltico sobre un pavimento existente de concreto asfáltico deben tomarse en cuenta estas tareas: - Reparación de áreas deterioradas y mejoras en el subdrenaje, si fuera necesario. ne cesario. - Corrección del ahuellamiento superficial por fresado de la capa superficial o colocación de una capa de nivelación. - Ensanche o construcción de carriles adicionales, si está previsto. - Aplicación del riego de liga. - Colocación de la sobrecarpeta de concreto asfáltico (incluyendo tratamiento de control de fisuras si fuera necesario).

3.2. Factibilidad Este tipo de sobrecarpetas son comúnmente utilizadas, excepto cuando el pavimento existente esté tan deteriorado que justifique su remoción total. Los casos en que no es factible colocar el refuerzo de concreto asfáltico son: - La cantidad de fisuras tipo piel de cocodrilo es muy grande que se impone una completa remoción y reemplaza de la superficie actual. - Un ahuellamiento superficial excesivo que indique que los materiales del paquete tienen poca estabilidad para prevenir la recurrencia de este deterioro - La base granular o estabilizada existente muestra signos de importante deterioro y el repararla para proveer un soporte uniforme no es conveniente. - La base granular debería ser removida y reemplazada debido a infiltración y a contaminación de material proveniente de una capa inferior de poca resistencia. - El descascaramiento y disgregación de la carpeta indican que ésta debe ser reemplazada.

3.3. Reparaciones previas Si de acuerdo al análisis realizado es todavía factible colocar un refuerzo, deben hacerse previamente las siguientes reparaciones cuya falla en su materialización podría incidir en la vida útil de la sobrecarpeta: Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Concreto Asfáltico

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- Falla tipo piel de cocodrilo. Las áreas de fallas tipo piel de cocodrilo de gran severidad deben ser reparadas. Las áreas localizadas de fallas moderadas de piel de cocodrilo deben ser reparadas a menos que se implemente algún tipo de control de reflexión de fisuras. La reparación debe incluir la remoción de todo material débil que se encuentre por debajo. - Fisuras lineales. Las fisuras lineales de alta severidad deben ser parchadas. Las fisuras con aberturas mayores de 6 mm deben ser rellenadas con una mezcla arena-asfalto. También debe preverse algún dispositivo de control de reflexión de fisuras para juntas transversales que experimenten movimientos de apertura y cierre. - Ahuellamiento. Los ahuellamientos deben eliminarse mediante fresado o colocación de una capa niveladora. Cuando el ahuellamiento sea muy severo, mayor a 6 mm, se deberá realizar una investigación para determinar si se debe a fallas de capas inferiores, en cuyo caso habrá que remover toda la estructura fallada. - Irregularidades superficiales. Depresiones, sobreelevaciones y ondulaciones requieren una investigación y tratamiento especial y, en determinados casos, remoción.

3.4. Control de reflexión de fisuras La reflexión de fisuras en la sobrecarpeta se debe a la concentración de deformaciones debidas a movimientos en el pavimento subyacente por las cargas que producen tensiones de flexión o corte o en su caso por movimiento horizontal debida a cambios térmicos. El efecto de las cargas está influenciado por los espesores y resistencia de la sobrecarpeta y las capas inferiores y las características de los vehículos. La influencia de la temperatura depende de las variaciones diarias y estacionales, el coeficiente de expansión térmica y la separación de fisuras. Entre los métodos para control de fisuras, además de parches y rellenos previos, se tienen: - Las membranas sintéticas son muy efectivas en el control de reflexión de piel de cocodrilo con fisuración moderada. También pueden ser útiles para controlar reflexión de fisuras por temperatura, especialmente si están combinadas con relleno de fisuras. Sin embargo, son poco útiles para retardar reflexión de fisuras debidas a movimientos horizontales o verticales significativos. - Las capas inhibidoras de reflexión con espesores mayores de 80 mm de espesor han sido efectivas para controlar la reflexión de fisuras debidas a grandes movimientos. Estas capas inhibidoras de reflexión están formadas por material granular de granulometría abierta y un pequeño porcentaje de cemento asfáltico. - El cortado y sellado de juntas en el refuerzo de concreto asfáltico en correspondencia con fisuras rectilíneas del pavimento existente puede ser efectivo para control de reflexión. Este método es muy efectivo para sobrecarpetas de concreto asfáltico sobre pavimentos de hormigón con juntas cuando los cortes coinciden sobre la junta o fisura rectilínea dentro de 25 mm. - Un incremento del espesor de la sobrecarpeta. Esta solución reduce las tensiones de flexión y corte vertical bajo cargas y también reduce la variación de temperatura en el pavimento existente. De esta manera, espesores mayores de sobrecarpetas de asfalto son más efectivas que las de menor espesor porque retrasan la ocurrencia y deterioro por reflexión de fisuras.

Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Concreto Asfáltico

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3.5 Subdrenaje Para un adecuado desempeño de un pavimento de asfalto que va a recibir una sobrecarpeta de asfalto debe asegurarse una buena condición del subdrenaje. La clave está en remover el exceso de agua de la plataforma y evitar la erosión e incrementar la resistencia de subbase y subrasante reduciendo de esta manera las deflexiones en el pavimento. Adicionalmente las mejoras en la subrasante disminuirán la disgregación de la superficie.

3.6. Diseño de espesores Cuando se coloca una sobrecarpeta para mejoras estructurales, el espesor a determinar depende de la capacidad estructural requerida para cubrir las demandas futuras de tráfico y el aporte que hace el pavimento existente. La ecuación de diseño para sobrecarpeta es: SNo1= ao1 D o1 = SNf – SNef

(3.1)

donde: SNo1 = número estructural requerido para la sobrecarpeta a o1 = coeficiente estructural para la sobrecarpeta D o1 = espesor de la sobrecarpeta SNf = número estructural requerido para el tránsito futuro SNef = número estructural efectivo del pavimento existente. El espesor necesario de sobrecarpeta se obtiene siguiendo los pasos que se indican a continuación, los que proveen un método de diseño que recomienda hacer ensayos sobre el pavimento para obtener datos de entrada confiables. Si no es posible hacer esto, se puede encarar este problema mediante una observación visual de las fallas, obviando los pasos 4 y 5 .

3.6.1. Diseño y construcción del pavimento existente (Paso 1) Se debe recabar información sobre: - Espesor de cada capa y tipo de material usado. - Subrasante (registros durante la construcción, ensayos de suelos, etc.)

3.6.2. Análisis de tránsito (Paso 2) - Cantidad de ESALs acumulados en el carril de diseño (N p), para ser aplicado solamente si SNef se se obtiene por el método de vida remanente. - Cantidad de ESALs previstos en el carril de diseño durante el período de diseño (N f ). ).


24


3.6.3. Observación del estado del pavimento existente (Paso 3) Es necesario detectar, distinguir y medir los tipos de fallas presentes. En base a los mismos pueden determinarse los coeficientes estructurales. Se recomienda extraer muestras de los carriles más transitados para estimar estas cantidades. Se debe determinar: - Porcentaje de superficie con piel de cocodrilo (baja, media y alta severidad). - Número de fisuras transversales por 1.6 km (baja, media y alta severidad). - Profundidad media del ahuellamiento. - Evidencia de bombeo en fisuras y bordes de pavimentos.

3.6.4. Ensayos de deflexión (Paso 4) Los ensayos de deflexión se recomiendan para analizar el pavimento de concreto asfáltico existente, especialmente para vías de alto volumen de tráfico. Las mediciones de deflexiones deben hacerse en correspondencia con la zona transitada por la rueda externa de los vehículos. Los intervalos varían entre 30 y 300 m. Se usan dispositivos que pueden transmitir cargas cerca a 40 kN. La carga puede ser pulsante o sinusoidal. Las deflexiones se miden en correspondencia con el centro de la carga y a ciertas distancias que se explican más adelante (Fig. 3.1). 3.6.4.1 Módulo Resiliente de la subrasante A ciertas distancias desde el lugar donde se aplica la carga, las deflexiones medidas en la superficie del pavimento se deben solamente a la subrasante y son independientes del diámetro del plato de carga. De esta manera, el Módulo Resiliente de la subrasante M R puede puede ser retrocalculado con la medición de una simple deflexión y la magnitud de la carga, con el uso de la siguiente ecuación (AASHTO 1993) M R =

0.24 P d r r

(3.2 )

donde; MR = = Módulo Resiliente retrocalculado P = Carga aplicada dr = Deflexión a la distancia r medida desde el centro de la carga r = Distancia desde el centro de carga Debido a que la deflexión se debe solamente a la deformación de la subrasante, no se necesita hacer un ajuste de temperatura cuando se calcula el M R La deflexión usada para retrocalcular el módulo de subrasante debe ser medida a una distancia tal del plato de carga que se llegue a realizar una buena estimación del módulo resiliente, independientemente de los efectos en las capas superiores. Por otro lado, debe ser medida lo más


25


próximo posible de tal manera que no se pierda la precisión. La distancia mínima puede determinarse mediante la siguiente relación: r ≥ 0.7 a e

(3.3)

donde:

ae =

 2 + a  D 

3

E p 

M R 

2

(3.4)

donde: ae = radio del bulbo de tensión en la interface pavimento subrasante a = radio del plato de carga D = espesor total del pavimento por encima de la subrasante Ep = módulo efectivo de todas las capas del pavimento por encima de la subrasante MR = = módulo resiliente de la subrasante

Fig. 3.1. Esquema de la zona sometida a tensiones en un ensayo FWD en un pavimento.

La expresión de la deflexión d r a la distancia r es:


26


Fig.3.2. Distancia a la que la deflexión depende sólo de las propiedades de la subrasante.

3.6.4.2 Módulo efectivo del pavimento Si el módulo resiliente de la subrasante y el espesor total de todas las capas que están ubicadas por encima de la subrasante son conocidas o asumidas, el módulo efectivo de toda la estructura del pavimento puede ser determinado de las deflexiones medidas en el centro del plato de carga usando la siguiente ecuación: 1  1−  2  D   1+    1  a  d 0 = 1.5pa  + 2 E p   D E p    M R 1 +  3   a M R    

        

(3.5)

donde: d0 = deflexión medida en el centro del plato plato de carga y ajustada a una temperatura temperatura de 20°C. p = presión en el plato de carga a = radio del plato de carga D = espesor total de las capas del pavimento por encima de la subrasante MR = = módulo resiliente de la subrasante Ep = módulo efectivo de todas las capas del pavimento que están por encima de la subrasante


27


Es necesario determinar la temperatura de la mezcla durante la medida de la deflexión, lo que puede hacerse en forma directa o estimada en base a las temperaturas del aire y de la superficie. Para placas de carga carga de 5,9 pulg (150 mm) la fig. 3.3 permite determinar la relación E p /M /MR y EP puede ser determinado para un valor conocido o supuesto de M R . El manejo de este gráfico es muy sencillo: Se conocen el espesor D del pavimento y M R (MR = = 0,24 P/r d r), d0 se mide y se conoce MR d d0 /P /P y con el valor de D se corta la curva correspondiente a E p /M /MR y y luego se determina E p. Los valores de d 0, deben ser ajustados por temperatura para llevarlos a una temperatura de referencia de 20°C (68°F). Para ello pueden usarse los gráficos de la fig. 3.4 si el pavimento tiene una base granular o estabilizada con asfalto o de fig. 3.5 si el pavimento tiene una base estabilizada con cemento y/o puzolanas.

(150 mm)

(125)

(510)

(890)

(1270)

(1525) (mm)

Fig. 3.3 Determinación 3.3 Determinación de E p p /M R


28


(50)

(100)

(200) (300) (mm) (4)

(16)

(27)

(38)

(49) (°C)

Fig. 3.4 Ajuste para d 0 temperatura para pavimento con base granular o tratada con asfalto. 0 por


29


(50)

(100)

(200) (300) (mm) (4)

(16)

(27)

(38)

(49) (°C)

Fig. 3.5 Ajuste para d 0 temperatura para pavimento con base tratada con cemento y/o puzolanas. 0 por

3.6.4.3 Ejemplo Las siguientes deflexiones fueron medidas en un pavimento de concreto asfalto existente usando el FWD con un plato de carga de 150 mm (5.9 pulgadas) y una carga de 40.5 kN (9,096 lb): -

Deflexión en el centro de plato de carga = 0.000650 m (0.02561 pulg)

-

Deflexión a 305 mm (12 pulg) = 0.000439 m (0.01728 pulg)

-


-


El pavimento existente tiene un revestimiento de asfalto de 100 mm (4 pulg) sobre una base granular de 200 mm (8 pulg). La temperatura del concreto asfáltico al momento del ensayo fue de 13°C (55°F). Determinar el módulo resiliente de la subrasante (M R ) y el módulo efectivo del pavimento (E p)


30


Solución: Para obtener la estimación más precisa, la deflexión usada para calcular el M R debe ser la más cercana al plato de carga como sea posible mientras se satisfaga el criterio de mínima distancia. De esta manera, la deflexión a 305 mm (12 pulg) se utiliza inicialmente. MR = (0.24*9,096) / (12 * 0.01728) = 10,500 lb/pulg2 Nótese que el cálculo de M R requiere ajustes en las deflexiones por temperatura. De todas maneras, las deflexiones no necesitan ser ajustadas cuando se calcula E p. El factor de ajuste por temperatura es 1.09 lo que debe multiplicarse por la deflexión para que se obtenga la deflexión ajustada de 0.02791 pulg. Con estos valores se determina la siguiente cifra: MR * * d0 / P = 10,500 * 27.91 / 9,096 = 32.2 Este valor se introduce en la fig 3.3 para obtener un valor de E p / MR de de 5. De esta manera, Ep se calcula multiplicando Mr por 5 para obtener obtener Ep de 52,500 lb/pulg2. Los resultados resultados se usan para para verificar si se cumple con el criterio de distancia mínima. ae = ( 5.92 + (12 * ( 5 )(1/3) )2) 0.5 = 21.4 pulg el valor mínimo permitido es 0.7 veces este valor, o sea 15 pulg. La deflexión fue medida a 12 pulg por lo que el valor calculado no es válido usando esta deflexión. Debe repetirse el procedimiento usando la deflexión siguiente a 24 pulg de distancia desde el plato de carga. Repitiendo el procedimiento se obtiene los siguientes valores: MR = 7,200 lb/pulg2 Ep / MR = = 10 Ep = 72,000 lb/pulg2 ae = 26.5 pulg Así, para una distancia mínima de 0.7 veces se se obtiene un valor de 18.6 pulg. Puesto que la deflexión fue medida a una distancia de 24 pulg desde el centro del plato de carga, el valor calculado es válido. Nótese que el valor M R medido medido en este ejemplo será ajustado en las secciones siguientes para el diseño propiamente dicho.

3.6.5. Muestreo y ensayo de materiales (Paso 5) 5) La extracción de núcleos y ensayo de materiales son recomendados para analizar al pavimento existente, especialmente en caminos de alto volumen de tráfico. 3.6.5.1 Módulo resiliente de la subrasante y materiales de las distintas capas En caso de no ejecutar el ensayo con el FWD, se puede determinar también a partir de ensayos de laboratorio (AASHTO T294-91I) con una tensión desviante de 6 psi (41 kPa o 0,42 Kg/cm 2) para equipararlo con la usada para determinar el M R =21 =21 MPa (3000 psi) del AASHO Road Test.


31


Alternativamente, otros ensayos como el valor R, el CBR o ensayos de clasificación de suelos pueden ser realizados para, por medio de correlaciones, determinar el valor de M R . El examen visual de probetas de concreto asfáltico (núcleos) permitirá conocer distintos grados de alteración, disgregación y erosión. Lo propio puede hacerse con las capas base y subbase para determinar principalmente el grado de degradación y la posible contaminación de finos de las capas inferiores. Los espesores de cada uno de las capas componentes deben ser medidas como resultado final de este acápite.

3.6.6. Determinación del SN requerido para el tránsito trá nsito futuro (Paso 6) El Número Estructural requerido (SN f ) se calcula utilizando los conceptos de diseño para pavimento nuevo. A continuación se discuten cada una de las variables tomando en cuenta la adopción de valores medios para el diseño de una sobrecarpeta sobre un pavimento de sección uniforme. En la siguiente página se presenta un formulario f ormulario para facilitar la entrada de datos, este mismo formulario se presenta en la parte final de los siguientes capítulos. 3.6.6.1 Módulo resiliente efectivo de la subrasante. La determinación de este módulo puede hacerse por alguno de estos tres métodos. - Ensayos de laboratorio como se han explicado en el paso 5 - Cálculo a partir de medidas de deflexiones. Este valor debe ser ajustado para que sea consistente con el valor usado en los conceptos de diseño de pavimentos flexibles AASHTO – 1993. - Estimación a partir de información disponible sobre suelos y relaciones desarrolladas a partir de estudios del módulo resiliente. Debe considerarse los cambios por contenido de humedad e influencia por los cambios estacionales. El valor hallado por alguno de los tres métodos anteriormente explicados debe ser corregido por un factor C que no debe ser mayor a 0.33. Esto se realiza para que el resultado sea consistente con el valor de suelos medido en laboratorio l aboratorio para AASHO Road Test. La presencia de una capa de alta resistencia (roca madre) dentro de los 4.6 m medidos desde la parte superior de la subrasante puede ocasionar que el valor del módulo resiliente sea muy alto. Cuando se dé esa situación un valor de C menor a 0.33 debe ser garantizada. Un valor superior a 20 MPa (3,000 psi) indica que el suelo es de más resistencia que el suelo fino A-6 del AASHO Road Test y consecuentemente podrá proveer un soporte incrementado y una extensión en la vida del pavimento. 3.6.6.2 Pérdida de serviciabilidad de diseño Resulta de la diferencia entre la serviciabilidad inmediatamente después de colocada la sobrecarpeta, P 1, menos la serviciabilidad P 2 en el momento de la nueva rehabilitación.


32


3.6.6.3 Confiabilidad R de la sobrecarpeta La confiabilidad afecta directamente el espesor de la sobrecarpeta. Se aplican los mismos conceptos que en el diseño de pavimentos nuevos, ver tabla correspondiente para valores de confiabilidad en función de la clasificación funcional de la vía. 3.6.6.4 Desviación standard Algunas fuentes de incertidumbre son diferentes para el diseño de una sobrecarpeta comparados con los del diseño de un pavimento nuevo. De esta manera, los valores recomendados para diseños nuevos no pueden ser apropiados para diseños de sobrecarpetas. Por tanto, se recomienda utilizar un valor mínimo de 0.49.

3.6.7. Determinación del efectivo SN ef del del pavimento existente Hay tres métodos para determinar el Número Estructural efectivo SN ef de una sobrecarpeta de asfalto sobre un pavimento de asfalto: método del Ensayo no Destructivo, método del Factor de Condición y método de Vida Remanente. Es conveniente usar los tres métodos para evaluar el pavimento, y luego seleccionar el valor de SN ef basado basado en los resultados, haciendo uso del criterio ingenieril y de la experiencia. 3.6.7.1 Método de Ensayo no Destructivo (NDT) En el método de Ensayo no Destructivo (NDT) se asume que la capacidad estructural del pavimento es una función de su espesor y rigidez totales. La relación entre SN ef y Ep es: SNef = 0,0045 D (Ep)1/3

(3.6)

donde: SNef = número estructural efectivo (pulg) D = espesor total del paquete estructural (pulg) Ep = módulo efectivo de todo el paquete (psi) o, en unidades métricas: SNef = 0,0024 D (Ep)1/3

(3.7)

donde: SNef = número estructural efectivo (mm) D = espesor total del paquete estructural (mm) E = módulo efectivo de todo el paquete (kPa) Ep se determina a través de deflexiones como ya se ha explicado. La fig. 3.6 muestra la relación expresada por la fórmula (Ec. 3.6) y (Ec. 3.7) Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Concreto Asfáltico

33


(5500) (4100) (6900)

(250)

(2750)

(1380)

(690)

(345)

(200)

(170) (150)

(MPa)

(100)

(50) (mm)

(125)

(510)

(1270) (mm)

(890)

Fig. 3.6. SN ef ef función de E p p. (Método NDT)

3.6.7.2 Observación visual y ensayo de materiales En el caso de usar el método de observación visual y ensayo de materiales, se debe analizar la ecuación del número estructural: SNef = a1D1+a2D2m2+a3D3m3

(3.8)

D1, D2 y D 3 son los espesores de cada capa y m 2 y m3 se determinan de acuerdo a las condiciones de drenaje. Los valores de a 1, a2 y a3 serán menores que los que se consideran en un diseño nuevo debido al deterioro que presentan las capas. En la tabla 3.1 se da una sugerencia de los valores a adoptar para cada capa en función de su grado de deterioro.


34


Tabla 3.1 Valores sugeridos del coeficiente estructural para capas de pavimentos deteriorados

Material

Condición de Superficie

Concreto Asfáltico

Muy poca piel de cocodrilo y/o fisuras transversales de baja severidad. <10% de piel de cocodrilo de baja severidad y/o <5% de fisuras transversales de media y alta severidad. >10% de piel de cocodrilo de baja severidad y/o <10% de piel de cocodrilo de severidad medio y/o 5-10% de fisuras transversales de media y alta severidad >10% de piel de cocodrilo de severidad media y/o <10% de piel de cocodrilo de alta severidad y/o >10% de fisuras transversales de media y alta severidad >10% de piel de cocodrilo de alta severidad y/o >10% de fisuras transversales de alta severidad Muy poca piel de cocodrilo y/o fisuras transversales de baja severidad Base <10% de piel de cocodrilo de baja severidad y/o Estabilizada <5% de fisuras transversales de media y alta severidad >10% de piel de cocodrilo de baja severidad y/o <10% de piel de cocodrilo de severidad media y/o 5-10% de fisuras transversales de media y alta severidad. >10% de piel de cocodrilo de severidad media y/o <10% de piel de cocodrilo de alta severidad y/o >10% de fisuras transversales de media y alta severidad. >10% de piel de cocodrilo de alta severidad y/o >10% de fisuras transversales de alta severidad Base o sub Sin evidencia de bombeo, degradación o base contaminación por finos. granular Alguna evidencia de bombeo, degradación o contaminación por finos.

Coeficiente 0,35-0,40 0,25-0,35 0,20-0,30

0,14-0,20

0,20-0,35 0,20-0,35 0,15-0,25 0,15-0,20

0,10-0,20

0,08-0,15 0,10-0,14 0,00-0,10

3.6.7.3 Vida remanente En el caso de usar el método de la vida remanente se tiene: Vida remanente (%) RL=100 (1-Np /N /N1,5)

( 3.9)

N1,5 se estima con la ecuación de diseño o con el ábaco de diseño, determinando el número de ESALs que producen una serviciabilidad final de 1,5 (falla del pavimento). En este caso se debe usar una confiabilidad R=50%. El SNef se determina con la ecuación: SNef = CF * SN0 Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Concreto Asfáltico

(3.10) 35


CF se obtiene de fig. 3.7 en e n función de RL. SN0 es el número estructural del pavimento, si éste fuera nuevamente construido. El proyectista debe reconocer que calculando SN ef por por este método no refleja ningún beneficio por reparaciones en sobrecarpetas previas. La estimación de SN ef obtenida debe considerar un valor límite bajo. El SN ef del del pavimento será más alto si las reparaciones en la sobrecarpeta previa con deterioro por cargas asociadas (piel de cocodrilo) se han realizado. Este método para determinar SNef no es aplicable, sin modificación, en pavimentos de asfalto que ya han recibido una o más sobrecarpetas.

Fig. 3.7. Relación entre factor de condición y vida remanente (AASHTO – 93)

3.6.8. Determinación del espesor de la sobrecarpeta (Paso 8) 8) El espesor de la sobrecarpeta se determina con la expresión: Dol =

SNol a ol

=

( SNf - SNeff )

(3.11)

a ol

donde: SNol = número estructural requerido para la sobrecarpeta Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Concreto Asfáltico

36


aol = coeficiente estructural de la sobrecarpeta de concreto asfáltico Dol = espesor requerido de sobrecarpeta SNf = número estructural determinado en el paso 6 SNef = número estructural efectivo del pavimento existente

3.7 Fresado superficial del pavimento pavi mento existente Si se fresa el pavimento en forma previa a la sobrecarpeta, la profundidad de fresado tiene que estar reflejada en el análisis de SN ef . No se debe hacer ningún ajuste si el SN ef se se determina por NDT y si la profundidad de fresado no supera el mínimo necesario para remover los ahuellamientos superficiales. Si se fresa una profundidad mayor, se debe reducir el SN ef determinado determinado por NDT en una cantidad igual a la profundidad fresada multiplicada por el coeficiente estructural de la capa de concreto asfáltico en el estado en que se encuentre.


37


Formulario para la determinación de espesores de sobrecarpeta

________________ ________________________ ________________ ________________ ________________ ________________ _________________ ________________ _______________ ______________ ______

Tráfico ESALs futuros de 80 KN en el carril de diseño y el periodo de diseño

= ___________________

Módulo resiliente efectivo de la subrasante Módulo resiliente de diseño, M R

= _____________ psi (kPa)

(Este valor debe se ajustado por consistencia con el modelo de pavimento flexible y por variaciones estacionales. Típicamente el MR de diseño tiene valores entre 15 y 75 MPa (2,000 a 10,000 psi) para suelos finos y entre 70 y 140 MPa (10,000 y 20,000 psi) para suelos granulares. El suelo del AASHO Road Test utilizó un valor de 2 0 MPa (3,000 psi)). Pérdida de serviciabilidad Pérdida de serviciabilidad de diseño (P 1 – P2)

= ____________________

Confiabilidad de diseño Confiabilidad de diseño, R

= _________________ %

Desviación estándar, S 0

= ____________________

Capacidad estructural futura La capacidad estructural para tráfico futuro es determinada del nomograma de diseño de pavimentos flexibles SNf = = ____________________ _______________________________________________________ ___________________________ _____________________________________________________ _________________________


38



________________ ________________________ ________________ ________________ ________________ ________________ _________________ ________________ _______________ ______________ ______

Método NDT: Espesor total de todas las capas del pavimento, D

= _____________ in (mm)

Módulo resiliente de subrasante retrocalculado, M R

= _____________ psi (kPa)

Módulo elástico efectivo retrocalculado, E p

= _____________ psi (kPa)

SNef = = 0.0045 D (Ep ) 1/3 = ____________________

Método del factor de condición: Espesor de carpeta de asfalto, D 1

= _____________ in (mm)

Coef. estructral a 1

= _______________

Espesor de capa base, D 2

= _____________ in (mm)


= _______________

Coef. de drenaje, m 2

= _______________

Espesor de capa subbase, D 3

= _____________ in (mm)


= _______________


= _______________

SNef = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3 = ___________________ _______________________________________________________ ___________________________ _____________________________________________________ _________________________


39



________________ ________________________ ________________ ________________ ________________ ________________ _________________ ________________ _______________ ______________ ______

Método vida remanente: ESALs pasados desde habilitación al tráfico, N p

= ___________________

ESALs hasta falla del pav. existente, N 1.5

= ___________________

Vida remanente (%) RL=100 (1-Np /N /N1,5) = ________________

Factor de condición, CF (figura 3.7)

= __________________

Espesor de carpeta de asfalto, D 1

= _____________ in (mm)


= _______________


= _____________ in (mm)


= _______________


= _______________


= _____________ in (mm)


= _______________


= _______________

SN0 = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3 = ___________________

SNef = CF x SN0 = ___________________ _______________________________________________________ ___________________________ ____________________________________________________ ________________________


40


3.8 Bermas La realización de sobrecarpetas en los carriles de tráfico implica generalmente el mismo procedimiento con las bermas para mantener una misma cota. Se debe considerar la extensión del deterioro en la berma existente y la cantidad de tráfico que la solicitará. Si ésta está en buenas condiciones, las áreas deterioradas deben repararse. Si por el contrario, está en condiciones pobres el bacheo no es recomendable ni económico, por tanto, deberá ser demolida y reemplazada.

3.9 Ensanchamiento El ensanchamiento requiere que se coordine entre el diseño de la nueva sección y la sobrecarpeta. Ambos, el pavimento existente y la parte a ser ensanchada deben proveer superficies que sean funcionalmente adecuadas así como secciones estructuralmente resistentes.

3.10 Ejemplos de diseño Problema 1: Un pavimento está conformado por concreto asfáltico de 110 mm (4.25 pulg), una capa base granular de 200 mm (8 pulg) y una subbase granular de 200 mm (8 pulg). Este pavimento está emplazado en una calle colectora y necesita ser rehabilitado con una sobrecarpeta de asfalto. Éste ya ha soportado el paso de 400,000 ESALs, y se plantea soporte 2.4 millones de ESALs adicionales en el carril de diseño. Se ha realizado un ensayo con FWD con una carga de 40 kN (9,000 lb) produciéndose una deflexión de 0.000325 (0.0128 pulg) bajo el punto de aplicación de la carga y deflexiones de 0.000189, 0.000131 y 0.00090 (0.00743, 0.00515 y 0.00355 pulg) a distancias de 305, 610 y 914 mm (12, 24 y 36 pulg) desde el centro del plato de carga. La temperatura durante el ensayo fue de 20°C (68°F). Determinar con esta información el espesor de sobrecarpeta de asfalto usando los métodos: NDT, factor de condición y vida remanente. Solución: Las deflexiones a 305 mm (12 pulg) fueron usadas inicialmente, pero la mínima distancia entre sensores no fue adecuada. De esta manera, se usó la deflexión a 610 mm (24 pulg) con la cual se cumplió la condición de la ecuación 3.3. Utilizando los resultados para el ensayo NDT y reemplazando en la ecuación 3.2 se obtiene un M R de de 120 MPa (17,500 psi). Variando (E p /M /MR ) en ecuación 3.5 hasta que la deflexión en el centro del plato de carga se iguale con el lado derecho de la misma ecuación se logra convergir con un valor de aproximadamente 7.5; este mismo valor se obtiene utilizando la figura 3.3. Conocido M R , Ep llega a ser 920 MPa (133,000 psi). La distancia mínima entre sensores se verifica y se encuentra que es adecuada, de esta manera, M R es es válido. Luego MR se se multiplica por el factor de corrección de 0.33 obteniéndose un M R de de 40 MPa (5,800 psi). En la tabla 3.2 se presentan los datos de ingreso, los que están basados en las consideraciones funcionales del pavimento, conocimiento de la calidad de construcción local y experiencia ingenieril. Con estos datos se obtiene para el Número Estructural futuro SN f de de 4.5. Adicionalmente la tabla 3.2 presenta las entradas y cálculos cálculos para SN ef . Asumiendo una sobrecarpeta de concreto asfáltico con un coeficiente estructural de 0.44, el espesor se calcula con la ecuación 3.11. Los resultados se resumen en la tabla 3.3.


41


Tabla 3.2 Determinación de SN f f y SN ef ef para problema 1

________________ ________________________ ________________ ________________ ________________ ________________ _________________ ________________ _______________ ______________ ______

Tráfico ESALs futuros de 80 KN en el carril de diseño y el periodo de diseño

= _2,400,000_________


= 5,800 psi (39,964 kPa)

(Este valor debe ser ajustado por consistencia con el modelo de pavimento flexible y por variaciones estacionales. Típicamente el MR de diseño tiene valores entre 15 y 75 MPa (2,000 a 10,000 psi) para suelos finos y entre 70 y 140 MPa (10,000 y 20,000 psi) para suelos granulares. El suelo del AASHO Road Test utilizó un valor de 2 0 MPa (3,000 psi)). Pérdida de serviciabilidad Pérdida de serviciabilidad de diseño (P 1 – P2)

= ______1.70_________


= _______90_______ %


= ______0.49_________

Capacidad estructural futura La capacidad estructural para tráfico futuro es determinada del nomograma de diseño de pavimentos flexibles SNf = = ______4.50______________ _______________________________________________________ ___________________________ _____________________________________________________ _________________________


42


Tabla 3.2 Determinación de SN f f y SN ef ef para problema 1(continuación)

________________ ________________________ ________________ ________________ ________________ ________________ _________________ ________________ _______________ ______________ ______

Método NDT: Espesor total de todas las capas del pavimento, D

= 12.25 in (311 mm)

Módulo resiliente de subrasante retrocalculado, M R

= 17,500 psi (120.6 MPa)

Módulo elástico efectivo retrocalculado, E p

= 133,000 psi (916.4 MPa)

SNef = = 0.0045 D (Ep ) 1/3 = ________2.86_________

Método del factor de condición: Espesor de carpeta de asfalto, D 1

= 4.25 in (108 mm)

Coef. estructural a 1

= _____0.35_______


= 8.00 in (203 mm)


= _____0.14_______


= _____1.0________


= _______________ in


= _______________


= _______________

SNef = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3 = ______2.61_________ _______________________________________________________ ___________________________ _____________________________________________________ _________________________


43


Tabla 3.2 Determinación de SN f f y SN ef ef para problema 1 (continuación)

________________ ________________________ ________________ ________________ ________________ ________________ _________________ ________________ _______________ ______________ ______

Método vida remanente: ESALs pasados desde habilitación al tráfico, N p

= ____400,000_______

ESALs hasta falla del pav. existente, N 1.5

= ___1,140,000______

Vida remanente (%) RL=100 (1-Np /N /N1,5) = _______65_______

Factor de condición, CF (figura 3.7)

= _____0.93_________

Espesor de carpeta de asfalto, D 1

= 4.25 in (108 mm)


= _____0.44__________


= 8.00 in (200 mm)


= _____0.14________


= _______________


= ____________ in (mm)


= _______________


= _______________

SN0 = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3 = _______2.99_________

SNef = CF x SN0 = ________2.78__________ _______________________________________________________ ___________________________ ____________________________________________________ ________________________


44


Tabla 3.3 Espesor de diseño para problema 1

SNef

Espesor sobrecarpeta mm (pulg)

NDT

2.86

91 (3.6)

Factor de condición

2.61

110 (4.2)

Vida Remanente

2.78

97 (3.8)

Método

Problema 2: Un pavimento está conformado por concreto asfáltico de 130 mm, una capa base granular de 150 mm y una subbase granular de 500 mm. Este pavimento necesita ser rehabilitado con una sobrecarpeta de asfalto. La carretera motivo de este estudio es rural y será sometida a 11 millones de Equivalentes en el carril de diseño. Se ha realizado un ensayo con FWD con una carga de 39.3 kN produciéndose una deflexión de 0.000653 (0.0257 pulg) bajo el punto de aplicación de la carga y deflexiones de 0.000417, 0.000243 y 0.000131 (0.0164, 0.00959 y 0.00516 pulg) a distancias de 300, 600 y 900 mm desde el centro del plato de carga. La temperatura durante el ensayo fue de 20°C (68°F). Usando DIPAV D IPAV 2.0 determinar el espesor de sobrecarpeta usando los métodos de NDT y factor de condición. Solución: Con DIPAV 2.0 se calcula el Número estructural futuro que requiere el pavimento de acuerdo a la solicitación de 11 millones de ESASLs. La pantalla de cálculo de este número se presenta en la figura 3.8, resultando un valor de 186 mm. La determinación del M R y y E p se realiza para el método NDT (figura 3.9), resultando un SN ef de de 115 mm (4,57 pulg). De acuerdo al método de Análisis de Componentes se determina el SN ef de 122 de acuerdo al aporte de cada una de las capas del pavimento existente (ver figura 3.10) En la figura 3.11 se aprecia la pantalla que presenta los resultados para los métodos utilizados y calcula por diferencia entre el SN f y el SN ef el SN necesario para la sobrecarpeta. En las dos siguientes figuras, 3.12 y 3.13 se presentan los espesores de 165 y 145 mm determinados para la alternativa de Ensayos no Destructivos y Análisis de Componentes respectivamente.


45


Fig. 3.8 Número Estructural para tráfico futuro

Fig. 3.9 Número Estructural efectivo para NDT


46


Fig. 3.10 Número Estructural efectivo – Método Análisis de Componentes

Fig. 3.11 Pantalla con resultados de Números Estructurales para NDT y Análisis de Componentes


47


Fig. 3.12 Cálculo de espesores de capas – Ensayos no Destructivos

Fig. 3.13 Cálculo de espesores de capas – Análisis de Componentes


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CAPITULO 4 CONCRETO ASFÁLTICO SOBRE PAVIMENTO DE HORMIGÓN PREVIAMENTE FRACTURADO 4.1. Introducción En esta sección se estudia el diseño de concreto asfáltico sobre pavimentos de hormigón que han sido previamente fracturados. Las técnicas de fracturado son: fracturado/asentado, rotura/asentado y demolido/compactado. La técnica fracturado/asentado consiste en romper un pavimento de hormigón con juntas en trozos entre 0.30 y 1.00 m y asentarlos firmemente en la fundación. Para lograr el asentado se hace pasar el compactador de neumáticos de 30 a 45 toneladas sobre los trozos fracturados. El método de rotura/asentado rotura/asentado se aplica en pavimentos pavimentos que tienen acero acero y consiste en romper la losa en trozos mayores a 0.30 m cortando la armadura o rompiendo su adherencia con el hormigón y finalmente asentar los trozos firmemente en su fundación. El demolido/compactado consiste en fracturar completamente cualquier tipo de pavimento en piezas menores a 0.30 m y finalmente realizar el compactado con una o dos pasadas de un rodillo vibratorio de 7 toneladas. Las tareas a realizar para ejecutar una sobrecarpeta de concreto asfáltico sobre un pavimento de hormigón fracturado son: - Remover y reemplazar áreas que puedan evidenciar poco soporte. - Hacer mejoras en el drenaje, si fuera necesario. - Proceder al fracturado, rotura o demolido junto con el asentado o compactado. - Construir ensanches, si están es tán previstos. - Aplicar un riego de liga. - Colocar la sobrecarpeta de concreto asfáltico, incluyendo dispositivos de control de fisuración, si fueran necesarios.

4.2. Factibilidad Los métodos de fractura/asentado, rotura/asentado y demolido/compactado se usan para reducir el tamaño de las trozos de hormigón y así minimizar los movimientos verticales que tendrían lugar en las fisuras y juntas existentes, y de esta manera minimizar la ocurrencia y severidad de reflexión de fisuras. La fractura/asentado se emplea en pavimentos de hormigón simple. Los tamaños de las trozos resultantes varían entre 0.30 a 1.0 m. El módulo resiliente obtenido a partir de ensayos en el terreno puede variar entre unos pocos cientos de miles de psi (miles de MPa) a pocos millones de psi (pocas decenas de miles de MPa) con coeficientes de variación de hasta el 40%. Para evitar problemas de reflexión de fisuras se recomienda que no más del 5% de los trozos resultantes tengan un módulo mayor de 1 x 10 6 psi (6900 MPa).

Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Hormigón Previamente Fracturado

49


La rotura/asentado se usa sólo con pavimentos de hormigón armado lo que incluye la rotura de las armaduras en cada fisura o al menos destruir su adherencia con el hormigón. Si no se logra esto, habrá movimientos diferenciales en las juntas de trabajo y en las fisuras y, en consecuencia, éstas podrían reflejarse en la sobrecarpeta. El módulo del material resultante puede variar entre unos pocos cientos de miles de psi (miles de MPa) a varios millones de psi (varias decenas de miles de MPa), con un coeficiente de variación del 40% o más. Para romper las armaduras o su adherencia con el hormigón, es necesario el uso de potentes equipos. Esto debe ser verificado en el campo con ensayos de deflexión. Se deben lograr coeficientes de variación lo más bajos posibles, lo que indicará que se ha perdido el efecto de losa por el proceso de rotura. De todas maneras, en pavimentos de hormigón armado con juntas se aconseja el uso de triturado y compactado para asegurar la rotura total de la continuidad de la losa. El triturado puede hacerse en todo tipo de pavimento de hormigón, en cualquier condición y es aconsejable su empleo en pavimentos de hormigón armado. Con la rotura del hormigón en trozos menores de 30 cm, éste se transforma en una base granular. El módulo resiliente puede variar entre 100000 psi (690 MPa) a varios cientos de miles de psi (miles de MPa), con coeficientes de variación de hasta el 40%.

4.3. Reparaciones previas a la sobrecarpeta Las tareas de reparaciones previas en el caso de optar por esta solución no están bien claras. Muchos proyectos previos a 1991 no las tenían en cuenta. Sin embargo es recomendable reparar todo aquello que no brinde un soporte uniforme luego el fracturado.

4.4. Control de reflexión de fisuras En general cuando se usan las técnicas de fracturado del pavimento existente de hormigón no será necesario implementar ningún método de control de reflexión de fisuras. De todas maneras, hay que tener en cuenta que el asegurar un fracturado o demolido uniformes es una tarea que requiere un gran cuidado. Lo mismo debe considerarse con el asentado y compactado del material fracturado o demolido.

4.5. Subdrenaje La condición del subdrenaje de un pavimento existente generalmente tiene gran influencia en el desempeño de la sobrecarpeta. La remoción del exceso de agua de la sección transversal del pavimento reduce la erosión e incrementa la resistencia de la base y subrasante. El demolido de pavimentos de hormigón puede producir finos que pueden taponar los materiales de filtro en drenes de borde. Esto debe ser tenido en cuenta en el diseño de los sistemas de filtro. Si se planea el uso de subdrenes longitudinales, éstos deben ser construidos antes de fracturado de la losa.

4.6. Diseño del espesor de sobrecarpeta El espesor requerido de la sobrecarpeta depende de la capacidad estructural requerida que cumpla con las demandas futuras de tráfico y de la capacidad de la losa existente luego de la fractura. El espesor se determina con la siguiente ecuación: SNol = aol Dol = SNf - SNef

(4.1)

donde: Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Hormigón Previamente Fracturado

50


SNol = número estructural requerido para la sobrecarpeta aol = coeficiente estructural para la sobrecarpeta de concreto asfáltico Dol = espesor requerido de la sobrecarpeta SNf = número estructural requerido para soportar el tránsito futuro. SNef = = número estructural efectivo del pavimento luego del fracturado. El espesor de la sobrecarpeta se determina siguiendo los pasos indicados en los parágrafos siguientes.

4.6.1. Paso 1. Diseño y construcción del pavimento existente La siguiente información del pavimento existente se requiere para poder diseñar la sobrecarpeta de asfalto con el procedimiento AASHTO-93: - Espesor y características del material para cada capa - Información disponible de la subrasante (por ejemplo, datos de registros de construcción, información de suelos, etc.)

4.6.2. Análisis de tránsito (Paso 2) Se necesita conocer la cantidad de ESALs que se estima solicitarán al pavimento durante el período de diseño (N f ). ). Se deben usar LEFs correspondientes a pavimentos flexibles. Si el tránsito futuro está previsto para un pavimento rígido, el número de ESALs debe ser convertido en un número para pavimentos flexibles dividiendo por 1,5 .

4.6.3. Observación del estado del pavimento existente (Paso 3) Este paso puede obviarse cuando se usa este tipo de sobrecarpeta. No obstante, debe observarse el estado del pavimento para juzgar si es adecuado adoptar este tipo de solución y las zonas con deficiencias de apoyo.

4.6.4. Ensayos de deflexión (Paso 4) El ensayo de deflexión se usa solo para la determinación del módulo resiliente de diseño de la subrasante. Las deflexiones deben ser medidas en la losa antes de la fractura y en la parte media de las losas no fisuradas. Debe usarse un deflectómetro que pueda transmitir cargas de por lo menos 40 kN. Es preciso tomar medidas a una distancia aproximada de 1,2 m del centro de la carga. Ensayos en la parte superior de losas no fracturadas pueden proveer un valor alto e irreal para el módulo resiliente de la subrasante cuando se compara con su comportamiento después de que la losa ha sido fracturada. Por tanto, este valor debe ser usado con gran precaución. Adicionalmente estos ensayos pueden ser útiles luego del fracturado para revisar revisar la uniformidad. 4.6.4.1 Módulo Resiliente de la subrasante A ciertas distancias desde el lugar donde se aplica la carga, las deflexiones medidas en la s uperficie del pavimento se deben solamente a la subrasante y son independientes del diámetro del plato de Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Hormigón Previamente Fracturado

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carga. De esta manera, el Módulo Resiliente de la subrasante M R puede puede ser retrocalculado con la medición de una simple deflexión y la magnitud de la carga, con el uso de la siguiente ecuación (AASHTO 1993) M R =

0.24 P

(4.2 )

d r r

donde; MR = = Módulo Resiliente retrocalculado P = Carga aplicada dr = Deflexión a la distancia r medida desde el centro de la carga r = Distancia desde el centro de carga Debido a que la deflexión se debe solamente a la deformación de la subrasante, no se necesita hacer un ajuste de temperatura cuando se calcula el M R La deflexión usada para retrocalcular el módulo de subrasante debe ser medida a una distancia tal del plato de carga que se llegue a realizar una buena estimación del módulo resiliente, independientemente de los efectos en las capas superiores. Por otro lado, debe ser medida los más próximo posible de tal manera que no se pierda la precisión. La distancia mínima puede determinarse desde la siguiente relación: r ≥ 0.7 a e

(4.3)

donde:

ae =

 2 a +  D 

2

3

E p  M R 

(4.4)

donde: ae = radio del bulbo de tensión en la interface pavimento subrasante a = radio del plato de carga D = espesor total del pavimento por encima de la subrasante Ep = módulo efectivo de todas las capas del pavimento por encima de la subrasante MR = = módulo resiliente de la subrasante Antes de que el M R sea sea usado en el diseño, debe ajustarse su valor para hacerlo consistente con el diseño AASHTO para pavimentos flexibles.


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4.6.4.2 Módulo efectivo del pavimento Si el módulo resiliente de la subrasante y el espesor total de todas las capas que están ubicadas por encima de la subrasante son conocidas o asumidas, el módulo efectivo de toda la estructura del pavimento puede ser determinado de las deflexiones medidas en el centro del plato de carga usando la siguiente ecuación: 1  1−  2  D   1+    1  a  + d 0 = 1.5pa  2 E p   D E p    M R 1 +  3   a M R    

        

(4.5)

donde: d0 = deflexión medida en el centro del plato de carga y ajustada a una temperatura standard de 20°C. p = presión en el plato de carga a = radio del plato de carga D = espesor total de las capas del pavimento por encima de la subrasante MR = = módulo resiliente de la subrasante Ep = modulo efectivo de todas las capas del pavimento que están por encima de la subrasante Para placas de carga de 5,9 pulg (150 mm) la fig. 3.3 del capítulo 3 permite determinar la relación Ep /M /MR y y E P puede ser determinado para un valor conocido o supuesto de M R . El valor usado en esta ecuación es el valor determinado directamente de la ecuación 4.2. No se requiere hacer un ajuste al valor obtenido para que sea consistente con el del suelo AASHTO.

4.6.5. Muestreo y ensayo de materiales (Paso 5) 5) En caso de no ejecutar el ensayo con el FWD, se puede determinar también a partir de ensayos de laboratorio (AASHTO T294-91I) con una tensión desviadora de 6 psi (41 kPa o 0,42 Kg/cm 2) para compararlo con la usada para determinar el M R =2l =2l MPa (3000 psi) del AASHO Road Test. Alternativamente, otros ensayos como el valor R, el CBR o ensayos de clasificación de suelos pueden ser realizados para, por medio de correlaciones, determinar el valor de M R . La ecuación: MR . = 1500 * CBR podría producir valores muy altos para el diseño bajo este procedimiento El examen visual de probetas de concreto asfáltico (núcleos) permitirá conocer distintos grados de alteración, disgregación y erosión. Lo mismo puede hacerse con las capas base y subbase para determinar principalmente la magnitud de degradación y la posible contaminación de finos de las capas inferiores.


53


Los espesores de cada uno de las capas componentes deben ser medidas como resultado final de este acápite.

4.6.6. Determinación del número estructural requerido para el tránsito futuro (Paso 6) Para el módulo resiliente efectivo de la subrasante tiene validez lo explicado en el capítulo anterior, excepto en lo que concierne al factor C de corrección. Este valor es 0,33 para pavimentos asfálticos y 0,25 para pavimentos de hormigón, debido a que las tensiones en la subrasante para una carga aplicada sobre la losa son menores. Si hay estratos muy duros (por ejemplo roca) a menos de 4,5 m de profundidad, debe usarse un C todavía menor. Las otras variables que intervienen en esta determinación son: - Pérdida de serviciabilidad de diseño. Diferencia entre la inicial y la de la próxima rehabilitación - Confiabilidad R de diseño. Se aplican los mismos conceptos que en el diseño de pavimentos nuevos, para valores de confiabilidad en función de la clasificación funcional de la vía. - Desvío standard S 0 para pavimentos flexibles. Algunas fuentes de incertidumbre son diferentes para el diseño de una sobrecarpeta comparados a los del diseño de un pavimento nuevo. De esta manera, los valores recomendados para diseños nuevos no pueden ser apropiados para diseños de sobrecarpetas. Por tanto, se recomienda utilizar un valor mínimo de 0.49.

4.6.7. Determinación del número estructural efectivo SN del pavimento existente (Paso 7) SNef se determina con la ecuación del número estructural y por el método de análisis de componentes: SN ef a 3 ef = a 2 2 D 2 2 m 2 2 + 3 D 3 3 m 3 3

(Ec. 4.6)

donde: D2 = espesor de la losa fracturada D3 = espesor de la sub base a2, a3 = coeficientes estructurales para losa fracturada y sub base m2, m3 = ídem para coeficientes de drenaje Para los coeficientes a i se recomienda usar la tabla 4.1.


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Tabla 4.1 Valores sugeridos para coeficientes estructurales para losas fracturadas

Material

Estado de la losa Trozos mayores de 0,30 m (1’) con armadura interrumpida o por lo menos sin adherencia con el hormigón

Coeficiente

Trozos entre 0,3 y 1,0 m (1 a 3’)

0,20-0,35

Losa completamente fracturada con trozos menores de 0,30 m (1 pie)

0,14-0,30

Sin evidencia de degradación o intrusión de finos

0,10-0,14

H° con refuerzo Rotura/asentado H° simple c/juntas Fractura/asentado Demolido/compactado (válido para los tres tipos de pavimentos de hormigón)

Base o sub base granular o estabilizada Alguna evidencia de degradación o intrusión de finos

0,20-0,35

0,00-0,14

Para m2 se recomienda un valor igual a 1,0 debido a la falta de información de las características de drenaje de una losa fracturada de hormigón.

4.6.8. Determinación del espesor de sobrecarpeta (Paso 8) El espesor de sobrecarpeta es: Dol = SNol / aol = (SNf - SNef ) / aol

(4.7)

donde: SNol = Número estructural requerido para la sobrecarpeta aol = Coeficiente estructural para la sobrecarpeta sobrecarpeta de asfalto Dol = Espesor sobrecarpeta de asfalto SNf = Número estructural determinado en paso 6 SNef = Número estructura efectivo del pavimento existente (paso 7)


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________________ ________________________ ________________ ________________ ________________ ________________ _________________ ________________ _______________ ______________ ______

Tráfico ESALs futuros de 80 KN en el carril de diseño y el periodo de diseño, N f

= ___________________


= _____________ psi - kPa

(Este valor debe ser ajustado por consistencia con el modelo de pavimento flexible y por variaciones estacionales. Típicamente el MR de diseño tiene valores entre 15 y 75 MPa (2,000 a 10,000 psi) para suelos finos y entre 70 y 140 MPa (10,000 y 20,000 psi) para suelos granulares. El suelo del AASHO Road Test utilizó un valor de 2 0 MPa (3,000 psi)). Pérdida de serviciabilidad Pérdida de serviciabilidad de diseño (P 1 – P2)

= ____________________


= _________________ %


= ____________________

Capacidad estructural futura La capacidad estructural para tráfico futuro es determinada del nomograma de diseño de pavimentos flexibles SNf = = ____________________ _____________________________________________________ ___________________________ _____________________________________________________ ___________________________


56



________________ ________________________ ________________ ________________ ________________ ________________ _________________ ________________ _______________ ______________ ______

Método del factor de condición: Espesor de H° fracturado, roto o demolido, D 2

= _____________ in (mm)

Coef. estructural de H° fracturado, roto o demolido, a 2

= _______________

Coef. de drenaje de losa fracturada, m 2

= _______________


= _____________ in (mm)


= _______________


= _______________

SNef = a2 D2 m2 + a3 D3 m3 = ___________________ _______________________________________________________ ___________________________ _____________________________________________________ _________________________

4.7 Bermas La realización de sobrecarpetas en los carriles de tráfico implica generalmente que se haga lo propio con las bermas para mantener un mismo nivel. Se debe considerar la extensión del deterioro en la berma existente y la cantidad de tráfico que la solicitará. Si la berma está en buenas condiciones, las áreas deterioradas deben repararse. Si por el contrario, está en condiciones pobres el bacheo no es recomendable ni económico, por tanto, deberá ser demolida y reemplazada. Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Hormigón Previamente Fracturado

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4.7 Bermas La realización de sobrecarpetas en los carriles de tráfico implica generalmente que se haga lo propio con las bermas para mantener un mismo nivel. Se debe considerar la extensión del deterioro en la berma existente y la cantidad de tráfico que la solicitará. Si la berma está en buenas condiciones, las áreas deterioradas deben repararse. Si por el contrario, está en condiciones pobres el bacheo no es recomendable ni económico, por tanto, deberá ser demolida y reemplazada.


4.9 Ejemplos de diseño Problema 1: Un pavimento de hormigón con refuerzo de 250 mm (10 pulg) se ha demolido sobre una base granular de 150 mm (6 pulg). Se requiere colocar una sobrecarpeta capaz de soportar un tráfico de 6.7 millones de ESALs en una carretera rural. El ensayo con FWD con un carga de 40 KN (9,000 lb) produjo una deflexión debajo ésta de 0.000104 m (0.00410 pulg) y deflexiones de 0.000090, 0.000078 y 0.000069 m (0.00356, 0.00309 y 0.00270 pulg) a distancias de 305, 610 y 914 mm (12, 24 y 36 pulg) medidas desde el punto medio del plato de carga, ensayo realizado previamente al demolido. Determinar el espesor de la sobrecarpeta de asfalto. Solución: La mínima distancia entre los sensores fue inadecuada para las deflexiones de 305 y 610 mm. Usando los datos del FWD para el más extremo de los sensores, el M R es es 150 MPa (22,200 psi). Usando la figura 3.3 se obtiene un (E p /M /MR ) de 38, con lo que se obtiene un E p 5,800 MPa (840,000 psi). El criterio de la ecuación 4.3 no se satisface, de todas maneras, los datos se utilizan debido a que no se dispone de información con sensores a mayor distancia. Se corrige por el factor 0.25 para finalmente obtener un M R de de 38 MPa (5,550 psi). Con los otros datos de: pérdida de serviciabilidad de 2.0, confiabilidad de 95%, desviación estándar de 0.49 y un coeficiente estructural de 0.42 se obtiene un SN f de de 5.35. Los coeficientes estructurales para la losa demolida se asumen en 0.20 y para la capa base uno de 0.05. El coeficiente de drenaje es asumido en 1.0 para ambas capas. Usando la ecuación 4.6 se obtiene un SNef de 2.30. Por el análisis de condición se obtiene una sobrecarpeta de 175 mm (6.9 pulg). Problema 2: Un pavimento de hormigón simple de 210 mm se ha fracturado/asentado sobre una base de suelo cemento de 100 mm. Se requiere colocar una sobrecarpeta capaz de soportar un tráfico de 10 millones de ESALs en una avenida principal. El ensayo con FWD con un carga de 40 KN (9,000 lb) produjo una deflexión debajo ésta de 0.000160 m (0.00631 pulg) y deflexiones de 0.000133, 0.000105 y 0.000087 m (0.00525, 0.00412 y 0.00343 pulg) a distancias de 305, 610 y 914 mm (12, Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Hormigón Previamente Fracturado

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24 y 36 pulg) medidas desde el punto medio del plato de carga, ensayo realizado previamente al demolido. Determinar el espesor de la sobrecarpeta de asfalto usando DIPAV 2.0. Solución: Con el análisis de datos proporcionados por el FWD se obtiene un M R de 30.0 MPa y además cuando los datos del enunciado, se obtiene un Número Estructural para tráfico futuro de 153 mm (ver figura 4.1). El SN ef determinado determinado para los coeficientes estructurales y drenaje es de 88 mm. De la diferencia se precisa una sobrecarpeta de asfalto de 200 mm (ver figuras 4.1; 4 .2; 4.3 y 4.4).

Figura 4.1 Determinación del Número Estructural para tráfico futuro

Figura 4.2 Determinación del Número Estructural efectivo


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Figura 4.3 Pantalla con resultados de números estructurales por Análisis de Componentes

Figura 4.4 Cálculo de espesores de capas – Análisis de Componentes


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CAPITULO 5 CONCRETO ASFÁLTICO SOBRE PAVIMENTO DE HORMIGÓN 5.1. Introducción La construcción de concreto asfáltico sobre pavimentos de hormigón (hormigón simple con juntas, hormigón reforzado con juntas y hormigón continuamente reforzado) se basa en la realización de las siguientes tareas: - Reparación de áreas deterioradas y mejoramiento de las condiciones de drenaje, si fuera necesario. - Materialización del ensanche de carriles o carriles adicionales, si fuera necesario. - Aplicación del riego de liga. - Colocación de la sobrecarpeta de concreto asfáltico, incluyendo un tratamiento de control de reflexión de fisuras.

5.2. Factibilidad Este tipo de solución es factible de ser realizada sobre pavimentos de hormigón, excepto en los casos en que el pavimento existente esté tan deteriorado que sea aconsejable su remoción y reemplazo. Los casos en que la sobrecarpeta de concreto asfáltico sobre hormigón no es factible son: - La cantidad de losas deterioradas y juntas desportilladas es tan grande que es aconsejable la remoción total del pavimento existente. - Deterioros significativos en las losas de hormigón debidos a problemas de durabilidad (por ejemplo, fisuras en D o agregados reactivos) - En pasos a bajo nivel cuando las condiciones de gálibo no permiten colocar la sobrecarpeta.

5.3. Tareas de reparación previas Los siguientes tipos de fallas en hormigón simple, hormigón armado con juntas y hormigón armado continuo deben ser reparadas previamente. En la tabla 5.1 se indica el tipo de reparación a realizar según el tipo de falla: Tabla 5.1

Tipo de falla Fisuras de trabajo Punzonados Juntas desportilladas Reparaciones deterioradas Bombeo y escalonamiento

Reparación Reparación en todo el espesor o reemplazo de losa Reparación en todo el espesor Reparación total o parcial en el espesor Reparación en todo el espesor Drenes de borde Capa de asfalto para nivelar, gateado de losa o Asentamientos/levantamientos reconstrucción localizada Cuando se requiere reparaciones en todo el espesor de la losa o reemplazo de losas de hormigón simple o reforzado, las reparaciones deben ejecutarse con hormigón y no rellenarse con concreto Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Hormigón

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asfáltico. Las juntas deben contar con pasadores o barras de unión a fin de asegurar una buena transferencia de cargas a través de la junta reparada. El uso de concreto asfáltico en lugar de hormigón, ha presentado resultados deficientes, puesto que aparecen manchas en la sobrecarpeta, apertura de juntas y fisuras y rápido deterioro en las inmediaciones del parche de concreto asfáltico. En el caso de pavimentos de hormigón con refuerzo continuo, las reparaciones en espesor completo deben asegurar una buena continuidad en la armadura mediante soldadura o empalme con la armadura existente. No deben hacerse reparaciones con concreto asfáltico previo a la colocación de la sobrecarpeta. La instalación de drenes de borde, mantenimiento los drenes existentes o otras tareas de mejoramiento de las condiciones de drenaje deben ser hechas antes de la colocación del concreto asfáltico. Las juntas de alivio de tensiones deben ser ubicadas solamente en correspondencia con estructuras fijas y no en intervalos regulares a lo largo del pavimento. La única excepción se da cuando por la reacción álcali-agregado que produce expansión en el hormigón.

5.4. Control de reflexión de fisuras La reflexión de fisuras tiene lugar debido a una concentración de deformaciones en la sobrecarpeta por el movimiento en las inmediaciones de fisuras y juntas en el pavimento existente. Este movimiento puede ser producido por flexión o corte debido a las cargas o por contracción horizontal inducida por cambios de temperatura. Los movimientos inducidos por cargas están influenciados por el espesor de la sobrecarpeta y el espesor y rigidez del pavimento existente. Los movimientos inducidos por temperatura están influenciados por variaciones térmicas diarias y estacionales, por el coeficiente de expansión térmica del pavimento existente y por el espaciamiento entre juntas y fisuras. En el caso de una sobrecarpeta de concreto asfáltico sobre hormigón simple u hormigón armado con juntas, la reflexión de fisuras se desarrolla bastante rápido (en menos de un año). La rapidez del desarrollo depende de los factores ya citados y del nivel de tránsito. Las medidas para controlar la reflexión de fisuras son: - Aserrado y sellado de juntas en la sobrecarpeta de concreto asfáltico en correspondencia con las juntas del pavimento de hormigón subyacente. Esta técnica ha sido muy exitosa cuando se aplica a sobrecarpetas de concreto asfáltico sobre pavimentos de hormigón cuando el corte coincide con la junta o fisura dentro de un margen de 20 mm. - Incremento del espesor de la sobrecarpeta. En este caso la reflexión tardará más tiempo en desarrollarse. - Colocación de una capa granular bituminosa estabilizada previa a la colocación de la sobrecarpeta. - Colocación de una membrana sintética previa a la colocación de la sobrecarpeta. La efectividad de esta solución es cuestionable. - Triturado y compactación del pavimento existente de hormigón. Sobre esta solución ya se ha comentado en el capítulo anterior.

Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Hormigón

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- Fisurado y asentamiento de pavimento de hormigón simple, o rotura y asentamiento del pavimento de hormigón armado con juntas. Sobre esta solución ya se ha comentado en el capítulo anterior. La fisura reflejada hacia la superficie de la sobrecarpeta de asfalto no sólo disminuye su serviciabilidad sino que requiere de mantenimiento frecuente (sellado, fresado y parchado), además de ser una vía de entrada de agua a la estructura del pavimento. Esto provocará pérdida de adherencia entre la sobrecarpeta y el pavimento existente, estriado con peladuras y desprendimientos en el pavimento de concreto asfáltico y aumento de fisuras de durabilidad o problemas con áridos reactivos en el hormigón y ablandamiento de las capas inferiores. Es por esta razón que la junta o fisura reflejada debe ser sellada cuando aparece y resellada toda vez que se vuelva a presentar durante la vida útil del pavimento.

5.5. Subdrenaje La condición del subdrenaje en un pavimento existente usualmente tiene gran influencia en el desempeño de la sobrecarpeta. Mejoras en las condiciones de subdrenaje contribuyen en la durabilidad de la sobrecarpeta. Remoción del agua en exceso reduce la erosión e incrementa la resistencia de la base y subrasante, lo que incluso reduce las deflexiones por cargas. Adicionalmente, mejoras en el subdrenaje reducirán también el descascaramiento y disgregación del asfalto.

5.6. Diseño de espesor Si la sobrecarpeta se coloca a los efectos de satisfacer condiciones funcionales de la calzada, bastará colocar un espesor mínimo. Si en cambio, la sobrecarpeta es colocada para mejorar las condiciones estructurales del pavimento, el espesor requerido es una función de la capacidad estructural necesaria para satisfacer las futuras necesidades del tránsito. La ecuación de diseño del espesor de sobrecarpeta es: Dol = A * (Df - Def )

(5.1)

donde: Dol = espesor espesor de sobrecarpeta A = factor que convierte la deficiencia en espesor del pavimento de hormigón en un espesor de sobrecarpeta de concreto asfáltico. Df = espesor de losa necesario para soportar el tránsito futuro. Def = espesor efectivo de la losa existente. Si se trabaja en pulgadas, A responde a esta ecuación: A = 2,2233 + 0,0099(Df - Def )2 - 0,1534(Df - Def )

(5.2.a)

Si se trabaja en mm, A responde a esta ecuación: A = 2,2233 + 1,53 x 10-5 (Df - Def )2 - 6,04 x 10-3 (Df - Def )

(5.2.b)

Df - Def = deficiencia en espesor del pavimento pavimento de hormigón. hormigón. Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Hormigón

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En la fig. 5.1 se encuentra e ncuentra graficada la expresión 5.2

(25)

(65)

(100)

(140)

(180)

(200) (mm)

Fig. 5.1. Factor A para convertir deficiencia en espesor de hormigón en espesor de sobrecarpeta de concreto asfáltico

El espesor de las sobrecarpetas de concreto asfáltico sobre pavimentos de hormigón puede variar entre 50 mm (2 pulg) a 250 mm (10 pulg). Para determinar el espesor de sobrecarpeta se deben seguir los pasos que se indican en los apartados siguientes. Los pasos 4 y 5 pueden obviarse si no se hacen ensayos in situ y en laboratorio.

5.6.1. Diseño del pavimento existente (Paso 1) La siguiente información del pavimento existente es requerida para realizar el diseño de la sobrecarpeta de asfalto: Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Hormigón

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- Espesor de losa existente. - Tipo de transferencia de carga (dispositivos de transferencia, trabazón entre agregados, hormigón con refuerzo continuo). - Tipo de berma (vinculada de hormigón u otro tipo).

5.6.2. Análisis de tráfico (Paso 2) Para realizar el diseño de la sobrecarpeta de asfalto sobre pavimento rígido se necesita conocer: - Ejes tipo (ESALs) acumulados en el carril de diseño (N p), si se desea determinar D ef por el método de la vida remanente. - ESALs futuros en el carril de diseño durante el periodo de diseño ( N f ). ). En ambos casos se deben usar los factores vehiculares para pavimentos rígidos.

5.6.3. Observación del estado del pavimento existente (Paso 3) Una inspección de condición involucra la determinación del tipo, cantidad y severidad del deterioro del pavimento. Deberán medirse los tipos de fallas que se indican a continuación. Es conveniente hacer toma de muestras para cuantificar mejor. Fallas para pavimentos de hormigón simple u hormigón reforzado con juntas: - Número de juntas transversales deterioradas por milla (1,6 km) - Número de fisuras transversales deterioradas por milla (1.6 km) - Número de parches de concreto asfáltico en todo el espesor, juntas excepcionalmente anchas (mayores de 1 pulg o 25 mm) y juntas de expansión por milla o 1.6 km (excepto las correspondientes a puentes). - Presencia y severidad de problemas de durabilidad del hormigón: o

o

Fisuras de durabilidad: baja severidad (fisuras solamente), severidad media (algo de descascaramiento), alta severidad (descascaramiento severo). Fisuras por áridos reactivos: baja, media y alta severidad.

- Evidencia de movimientos verticales entre losas, bombeo de finos o agua en juntas, fisuras y bordes de pavimento. Fallas para pavimentos de hormigón con refuerzo continuo. - Número de punzonamientos por milla o 1.6 km. - Número de fisuras transversales deterioradas, por milla o 1.6 km.


65


- Número de parches de concreto asfáltico en todo el espesor, juntas excepcionalmente anchas (mayores de 1 pulgada 0 25 mm) y juntas de expansión (excepto en puentes), por milla o 1.6 km. - Número de reparaciones existentes y nuevas previas a la sobrecarpeta, por milla o 1.6 km. - Presencia y severidad de problemas de durabilidad. Idem caso anterior - Evidencia de bombeo de finos o agua.

5.6.4. Ensayos de deflexión (Paso 4) Es muy conveniente realizar el ensayo de deflexión para analizar el pavimento existente, especialmente para carreteras del alto volumen de tráfico. Las zonas a analizar generalmente están separadas entre 30 y 300 m (100 - 1000 pies). Las deflexiones se miden con sensores ubicados a 0, 12, 24 y 36 pulg (0, 30, 60 y 90 cm) del centro del plato de carga. La carga recomendada es de 40 KN (9,000 lb). Para cada losa ensayada, el módulo k efectivo y el módulo de la losa se determinan de las figuras 5.2 y 5.3 respectivamente. Estas figuras se utilizan para deflexiones con carga normalizada de 40 KN y plato de carga con radio de 150 mm (5.9 pulg). El área de cada deflexión se calcula con con la siguiente ecuación cuyos valores varían entre 740 a 810 mm (29 a 32 pulg) para un hormigón íntegro.



 d 12   d   d    + 2  24  +  36    d 0   d 0   d 0  

AREA = 6 x  1 + 2 



(5.3)

donde: d0 = deflexión en el centro del plato de carga (pulg o mm) di = deflexiones a 12, 24 y 36 pulg del centro (pulg o mm) 5.6.4.1 Módulo k dinámico efectivo Para un plato de carga de 150 mm y una magnitud de carga de 40 KN, la figura 5.2 puede ser usada entrando con d0 y AREA para determinar el k efectivo dinámico debajo de cada losa. Para cargas dentro de los 9 KN (2,000 lb), las deflexiones pueden ser proyectadas linealmente a 40 KN. Si una sobrecarpeta simple es designada para una sección uniforme, computar el módulo k dinámico efectivo de las losas ensayadas en dicha sección.


66


(27)

(14) (40 KN)

(kPa/mm)

(150 mm)

(41)

(54) (68) (81)

(135) (270)

(585)

(660)

(740)

(810)

(890) (mm)

Fig. 5.2. Módulo k dinámico efectivo en función de d 0 y AREA

5.6.4.2 Módulo k estático efectivo Una vez obtenido el valor de k dinámico efectivo se lo debe transformar a estático. Esto se hace dividiendo el valor de k dinámico por 2. De todas maneras, cambios en el módulo k llevan a pequeñas diferencias en el espesor de la sobrecarpeta. k estático efectivo =

k efectivo dinámico 2

(5.4)

Este módulo k estático debe ser ajustado ajustado por efectos estacionales. 5.6.4.3 Módulo elástico del hormigón Para obtener el módulo elástico de la losa de hormigón se entra en fig. 5.3 con AREA, se levanta una vertical hasta la curva del valor dinámico de k y luego se sigue con una horizontal hasta el eje de ordenadas para determinar ED 3. Conociendo el espesor D de la losa, se puede conocer el módulo elástico E. Los valores típicos de E varían entre 3 a 8 x 10 6 psi (20,000 a 60,000 MPa).


67


(150 mm)

(270) (135) (80) (54) (27) (14 kPa) (585)

660

(740)

(810)

(890) (mm)

Fig. 5.3. Módulo elástico del hormigón en función de k, ARE A y espesor losa

Si el valor de E obtenido está fuera de este rango, puede haber un error en el espesor asumido, o bien se midió la deflexión sobre una fisura, o el hormigón se encuentra muy deteriorado. Los valores de k y E que estén fuera de rango no deben utilizarse. 5.6.4.4 Transferencia de cargas. Este tipo de mediciones se hace para pavimentos de hormigón simple o de hormigón armado con juntas, ubicando al equipo en la huella externa y en juntas transversales representativas. La transferencia de cargas no debe medirse cuando la temperatura ambiente sea mayor de 27°C, ubicando la placa de carga con uno de sus bordes aledaños a la junta. Se mide la deflexión en el centro de la carga y a 12 pulg (30 cm) del centro atravesando la junta. El porcentaje de transferencia de cargas por deflexión es:

 Δ ul   x B  Δl 

Δ LT = 100 x 

(5.5)

donde: ∆ ul ul =

deflexión del lado no cargado (pulg o mm)


68


∆ l =

deflexión del lado cargado (pulg o mm)

B = factor correctivo por flexión de losa Se aplica el factor correctivo B porque las deflexiones d 0 y d12 no serian las mismas que se medirían en el centro de la losa. B puede determinarse de la siguiente manera: B=

d 0 centro

(5. 6)

d 12 centro

B varía entre 1,05 y 1,15. En base al porcentaje de transferencia de cargas puede determinarse el coeficiente de transferencia de cargas (Tabla 5.2). Tabla 5.2

Porcentaje de transferencia de cargas > 70 50 - 70 < 50

Coeficiente de transferencia de carga 3.2 3.5 4.0

Para pavimentos con refuerzo continuo, J varía entre 2,2 y 2,6. Ejemplo de transferencia de carga. Se usó deflectómetro de impacto para medir deflexiones debajo de una carga de 40 KN (9,000 lb). En el centro de la losa, las deflexiones fueron a 0, 305, 610 y 914 mm (0, 12, 24 y 36) de 0.000147, 0.000131, 0.000103 y 0.000088 m (0.00580, 0.00516, 0.00407 y 0.00348 pulg). Las deflexiones en la junta fueron 0.00056 m (0.0221 pulg) en el lado cargado y 0.00034 m (0.0135 pulg) en el lado no cargado. Determinar el coeficiente de transferencia de carga en la junta. Solución: Se determina en primer término el factor de corrección por flexión de la losa (B) dividiendo la deflexión debajo del plato de carga por la deflexión a la distancia de 305 mm (12 pulg), B=

d 0 center d 12 center

=

147 131

= 1.12

El coeficiente de transferencia de carga se calcula con la ecuación 5.6:

 Δ ul   340   x B = 100 x   x 1.12 = 68 % 560    Δl 

Δ LT = 100 x 

De esta manera la deflexión es del 68%, lo que corresponde a un J de 3.5 de acuerdo a la tabla 5.2


69


5.6.5. Muestreo y ensayo de materiales (Paso 5) 5) El muestreo y ensayo de materiales son altamente recomendados para conocer las propiedades del pavimento existente 5.6.5.1 Módulo de ruptura Para la determinación del módulo de rotura S C’ del hormigón se deben extraer núcleos de 150 mm (6 pulg) de diámetro del centro de la losa y hacer un ensayo de tracción indirecta. El módulo de rotura se puede estimar usando la siguiente ecuación (Foxworthy 1985) SC’ = 210 + 1,02 IT

(5.7.a)

siendo: SC’ = módulo de rotura, psi IT = tracción indirecta medida en las probetas, psi En unidades métricas: SC’ = 1450 + l,02 IT

(5.7.b)

siendo: SC’ = módulo de rotura, kPa IT = tracción indirecta medida en las probetas, kPa

5.6.6. Determinación del espesor requerido de losa para el tránsito futuro D (Paso 6) Los datos para determinar D f deben deben representar al pavimento existente y a las propiedades de la fundación. Es importante tener en cuenta que las propiedades del pavimento rígido existente (módulo elástico, módulo de rotura y transferencia de cargas) controlan el comportamiento de la sobrecarpeta de concreto asfáltico. El cálculo se realiza con las consideraciones para pavimento rígido nuevo. Se proveen los rangos típicos, valores fuera de estos rangos deben utilizarse con precaución. 5.6.6.1 Módulo k estático efectivo El módulo k estático efectivo e fectivo debajo del pavimento rígido existente se puede p uede determinar por alguno de estos métodos: -

Cálculo del k efectivo dinámico a partir de medidas de cuencos de deflexión. Dividiendo el valor obtenido por 2 se obtiene el k efectivo estático. Cuando sea necesario, este módulo k efectivo debe ser corregido por efectos estacionales.

-

Determinación del módulo k por el ensayo de placa luego de la remoción de la losa en determinados sitios. Esta alternativa es muy costosa y consume mucho tiempo, por lo que se usa muy poco.


70


-

Estimación a partir de datos de suelos, tipo de base y espesores, usando la figura 5.4. Esta alternativa es simple, pero el módulo k obtenido debe considerarse como una estimación preliminar.

Fig. 5.4 Estimación del módulo efectivo de reacción de la subrasante (este gráfico se lo puede apreciar en unidades internacionales en la primera parte de este manual, pagina 76, figura 4.16)

5.6.6.2 Pérdida de serviciabilidad de diseño Es la diferencia entre la serviciabilidad inmediatamente después de la sobrecarpeta y la serviciabilidad en el momento de la próxima rehabilitación. 5.6.6.3 Factor de transferencia de cargas J Ver paso 4 en punto 5.6.4.4 5.6.6.4 Módulo de rotura del pavimento existente de hormigón. El módulo de rotura puede ser determinado por alguno de los siguientes métodos: Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Hormigón

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- Estimación a través de la resistencia a la tracción indirecta (Ver paso 4). - Estimación a través del módulo elástico del pavimento existente: SC’ = 43,5 (E/l0 6) + 488,5

(5.8.a)

donde: E = módulo elástico del hormigón (psi) En unidades métricas: SC’= 43,5 (E/106) + 3370

(5.8.b)

donde: E=módulo elástico del hormigón (kPa) 5.6.6.5 Módulo elástico del pavimento de hormigón existente. El módulo elástico se puede determinar por algunos de los dos siguientes métodos: - Cálculo a partir de medidas de deflexiones (Paso 4) - Estimación a partir de la resistencia a la tracción indirecta. 5.6.6.6 Pérdida de soporte de la losa existente. Las juntas de esquina que pueden tener una pérdida importante de soporte pueden ser identificadas mediante ensayos FWD. Las pérdidas de soporte en pavimentos con refuerzo continuo pueden ser determinadas graficando la deflexión del borde de la losa o de la zona usada por las ruedas de los vehículos e identificando puntos con deflexiones excesivas. Toda falta de soporte debe ser corregida con estabilización de la losa. Para el diseño del espesor de la sobrecarpeta se debe considerar una losa completamente soportada (LS=0). 5.6.6.7 Confiabilidad de diseño de la sobrecarpeta R La confiabilidad afecta en gran medida en el espesor de la sobrecarpeta. El diseño debe tomar las consideraciones del diseño de pavimentos nuevos. 5.6.6.8 Desviación standard Las consideraciones de incertidumbre son diferentes para sobrecarpetas y pavimentos rígidos nuevos. Así mismo los valores apropiados varían según el tipo de sobrecarpeta. Se recomienda adoptar para este caso un valor de 0.39, tal como se lo hace para pavimentos rígidos nuevos. 5.6.6.9 Capacidad de subdrenaje de la losa existente El bombeo o movimientos diferenciales verticales en juntas o fisuras son indicios de que hay problemas de drenaje. Tomar en cuenta que en el AASHO Road Test un C d = 1.0 representa condiciones pobres de drenaje. Bombeo o escalonamiento en fisuras es un reflejo que existen problemas de subdrenaje. Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Hormigón

72


5.6.7. Determinación del espesor efectivo de losa del pavimento existente Def (Paso 7) La determinación del espesor efectivo del pavimento existente se puede determinar por los dos siguientes métodos: 5.6.7.1 Observación del estado del pavimento existente El espesor efectivo de la losa existente es: Deff = F jc x Fdur x Ffat x D

(5.9)

Donde D es el espesor de la losa existente de hormigón y los “F” son diferentes factores de ajuste. - Factor de ajuste por juntas y fisuras . Este factor hace un ajuste por una pérdida extra de

serviciabilidad causada por fisuras reflejadas y deterioradas en la sobrecarpeta que son el resultado de juntas o fisuras no reparadas y otros tipos de discontinuidades en el pavimento existente. Una junta deteriorada o una fisura se reflejarán rápidamente en la sobrecarpeta con la consecuente pérdida de serviciabilidad. Es por esto que se recomienda que todas las juntas deterioradas, fisuras y cualquier otro tipo de discontinuidades en la losa existente sean reparadas en todo su espesor tomando las previsiones de vinculación (barras pasajuntas o barras de unión) al pavimento existente. Reparación de todos estos deterioros resultan en un F jc igual a 1.0. Si no es posible reparar todas las áreas deterioradas, el espesor de la sobrecarpeta debe ser incrementado con el objeto de tomar la pérdida de serviciabilidad. Con la siguiente información en pavimentos que no tienen problemas de durabilidad y reacción álcali-agregado se puede determinar F jc - Número de juntas deterioradas no reparadas por milla o 1.6 km. - Número de fisuras deterioradas no reparadas por milla o 1.6 km. - Número de sectores punzonados no reparados por milla o 1.6 km. - Número de juntas de expansión, excepcionalmente juntas anchas (>2,5 mm) y parches de concreto asfáltico en todo el espesor, por milla o 1.6 km. En función del número de juntas deterioradas no reparadas, fisuras, baches, etc., se determina el F jc mediante el gráfico siguiente


73


(12)

(50)

(90)

(125) (km)

Fig. 5.5. Factor de ajuste F jc

- Factor de ajuste por durabilidad. Este factor tiene en cuenta la pérdida de serviciabilidad adicional

que puede tener el pavimento existente cuando se presentan fisuras de durabilidad o fallas debidas a reacción álcali-agregado. Los valores a adoptar para F dur son: Fdur = 1,00 No hay problemas de durabilidad. Fdur = 0,96-0,99 Existen fisuras de durabilidad, pero sin desportilladuras Fdur = 0,88-0,95 Fisuras importantes y algo de desportilladuras Fdur = 0,80-0,88 Gran extensión de fisuras y desportillamiento severo

- Factor de ajuste por fatiga . Este factor considera un ajuste por daños de fatiga anteriores que

pueden existir en la losa. Se lo determina observando la extensión de fisuras transversales (en pavimentos de hormigón simple o con armadura discontinua) o por punzonamientos (hormigón con refuerzo continuo) que pueden haber sido ocasionados preliminarmente por repetición de cargas. Como guía se dan estos valores para el factor de ajuste F fat: 0,97-1,00

Pocas fisuras transversales/existen sectores con punzonamiento (ninguna causada por problemas de durabilidad) H° simple con juntas:

< 5% de losas fisuradas


74


H° reforzado con juntas: H° con refuerzo continuo: 0,94-0,96

Se presenta un número significativo de fisuras transversales/existen sectores con punzonamiento (ninguna causada por problemas de durabilidad) d urabilidad) H° simple con juntas: H° reforzado con juntas: H° con refuerzo continuo:

0,90-0,93

< 25 de fisuras de trabajo por milla < 4 sectores punzonados por milla

5 – 15% de losas fisuradas 25 – 75 de fisuras de trabajo por milla 4 – 12 sectores punzonados por milla

Muchas fisuras transversales/existen sectores con punzonamiento (ninguna causada por problemas de durabilidad) H° simple con juntas: H° reforzado con juntas: H° con refuerzo continuo:

> 15% de losas fisuradas > 75 de fisuras de trabajo por milla > 12 sectores punzonados por milla

5.6.7.2 Método vida remanente La vida remanente del pavimento responde a esta ecuación:

  N p   RL = 100  1    N 1.5    

(5.10)

Np = Número de ESALs hasta la fecha N1,5 = Número de ESALs para llevar el pavimento a la rotura N1,5 se puede obtener a partir de la ecuación de diseño o mediante ábacos, suponiendo una serviciabilidad final p t = l,5 y una confiabilidad R=50%. Def se se determina con la ecuación: Def = CF x D

(5.11)

CF es el factor de condición, función de RL.

5.6.8. Determinación del espesor de sobrecarpeta (Paso 8) Se emplea la ecuación 5.1 antes explicada: Dol = A *(Df - Def ) Donde: Dol = Espesor requerido de la sobrecarpeta de concreto asfáltico A = Factor para convertir deficiencia en el espesor de hormigón en espesor de concreto concreto asfáltico Df = = Espesor requerido de losa para soportar el tráfico futuro Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Hormigón

75


Def = = Espesor efectivo de la losa existente El factor A que es función de la deficiencia en el espesor del pavimento de hormigón, se determina por la siguiente figura o ecuación (esta ecuación se explica en la primera parte del capítulo):

(25)

(65)

(100)

(140)

(180)

(200) (mm)

Fig. 5.6. Factor A para conversión de diferencia en espesor de H° en espesor de CA

A = 2.2233 + 0.0099 ( Df - Def ) - 0.1534 ( Df - Def ) 2


76



________________ ________________________ ________________ ________________ ________________ ________________ _________________ ________________ _______________ ______________ ______

LOSA:

Espesor losa existente

= _____________________ pulg

Tipo de transferencia de carga: disp. mecánico, transf. agregados, refuerzo continuo Tipo de berma = atada, otra Módulo de ruptura del hormigón (típicamente 600 a 800 lbf/pulg 2)

= _____________________ psi (kPa)

Módulo elástico del hormigón (3 a 8 millones lbf/pulg 2 para H° íntegro, < 3 millones para H° deteriorado)

= _____________________ psi (kPa)

Factor de transferencia de carga, J (3.2 a 4.0 para JPCP y JRCP, 2.2 a 2.6 para CRCP)

= _____________________

TRAFICO: ESALs futuros de 80-kN (18-kip) en el carril de diseño sobre el periodo de diseño (N f )

= _____________________

SOPORTE Y DRENAJE: k dinámico efectivo

=___________________ pci (kPa/mm)

k estático efectivo = k dinámico efectivo / 2 (típicam. entre 50 y 500 lbf/pulg 2 /pulg)

=___________________ pci (kPa/mm)

Coeficiente de drenaje, C d (típicamente 1.0 para condiciones pobres de drenaje)

= _____________________

PERDIDA DE SERVICIABILIDAD: Pérdida de serviciabilidad de diseño (P 1 - P2)

= _____________________

CONFIABILIDAD: Confiabilidad de diseño, R (80 a 99%)

=_____________________ %

Desviación standard global, S o (típicamente 0.39)

= _____________________

CAPACIDAD ESTRUCTURAL FUTURA: El espesor de losa requerido para tráfico futuro es determinado con los conceptos de pavimento nuevo. Df = = __________________ pulg


77



________________ ________________________ ________________ ________________ ________________ ________________ _________________ ________________ _______________ ______________ ______

Método del factor de condición: F jc Número de juntas deterioradas no reparadas por milla Número de fisuras deterioradas no reparadas por milla Número de sectores punzonados no reparados por milla Número de juntas de expansión, excepcionalmente juntas anchas (>2,5 mm) y parches de concreto asfáltico en todo el espesor, por milla Total por milla

= ______________________ = ______________________ ____________________ __ = ______________________ = ______________________ = ______________________

F jc = _________________ (Figura 5.4) Fdur

(Valor recomendado 1.0, reparar todas las áreas deterioradas) 1.00: 0.96-0.99: 0.88-0.95: 0.80-0.88:

Ffat

No existen señales de de problemas de durabilidad durabilidad Algunos problemas problemas de de durabilidad, durabilidad, pero no desportilladuras desportilladuras Varias fisuras y algo de desportilladuras Muchas fisuras y desportilladuras Fdur = ________________

0.97-1.00: Muy pocas fisuras fisuras transversales transversales y punzonamientos 0.94-0.96: Un significativo significativo número de fisuras transversales y punzonamientos punzonamientos 0.90-0.93: Un gran gran número de fisuras transversales y punzonamientos Ffat = ________________ Def = F jc x Fdur x Ffat x D = ________________

Método de Vida Remanente: Np = ESALs pasados en el carril de diseño

= ________________

N1.5 = ESALs en el carril carril de diseño hasta P2 de 1.5

= ________________

  N p   RL = 100 1    = ________________ N 1.5    

CF = ___________________ Def = CF x D = ___________________

A = 2.2233 + 0.0099 ( Df - Def ) - 0.1534 ( Df - Def ) = _______________ 2

Dol = A (Df - Def ) = ___________________ Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Hormigón

78


5.7 Bermas El sobreencarpetado de carriles de tráfico generalmente requiere que se coloque sobrecarpetas sobre las bermas y que éstas queden al mismo nivel del pavimento nuevo. El proyectista debe considerar la extensión del deterioro en la berma existente y la cantidad de tráfico que usará la berma. Si una berma existente está en buenas condiciones, cualquier sector deteriorado debe ser reparado. Si está en condiciones pobres, la reparación no es económica, siendo lo recomendable su remoción y reemplazo.


5.9 Ejemplos de diseño Problema 1 Una losa de 200 mm (8 pulg) de espesor de hormigón continuamente reforzado va a ser sobreencarpetada con una mezcla de asfalto en caliente. Aproximadamente 80 millones de EE se anticipa que solicitarán al pavimento en los próximos veinte años. El ensayo de deflectómetro de impacto con un carga de 40 KN (9,000 lb) produjo una deflexión debajo de ésta de 0.000132 m (0.00520 pulg) y deflexiones de 0.000114, 0.000089 y 0.000074 m (0.00450, 0.00350 y 0.00290 pulg) a distancias de 305, 610 y 914 mm (12, 24 y 36 pulg) medidas desde el punto medio del plato de carga. La inspección de campo ha determinado la existencia de 18 fisuras de trabajo por 1.6 km. Por otro lado, no existen evidencias de problemas de durabilidad. Las condiciones de drenaje son pobres con valores cercanos a la saturación más del 25% del tiempo. El pavimento tiene bermas de hormigón atadas y eficiente transferencia de carga. Determinar el espesor requerido de sobrecarpeta de concreto asfáltico para este pavimento. Solución: Usando la ecuación 5.3, el AREA de deflexión es 710 mm (27.8 pulg). El módulo k dinámico efectivo y el módulo elástico del hormigón se determinan de las figuras 5.2 y 5.3 con resultados de 80 kPa/mm (300 lb/pulg 2 /pulg) y 23 GPa (3,400,000 lb/pulg2), respectivamente. El módulo k estático se obtiene al dividir entre 2 el dinámico, obteniéndose un valor de 40 kPa/mm (150 lb/pulg2 /pulg). Usando la ecuación 5.9.a, S’c es 4,400 kPa (640 lb/pulg 2). De la tabla de drenaje en pavimentos nuevos, nuevos, las condiciones de drenaje drenaje llevan a un coeficiente de 0.80. la información de deterioro corresponde a factores de de corrección por durabilidad (F dur), juntas/fisuras (F jc) y fatiga (Ffat) de 1.00, 0.95 y 0.95 respectivamente. Información adicional sobre el pavimento y condiciones locales incluyen: -

Serviciabilidad inicial = 4.50

-

Serviciabilidad final = 2.50

-

Confiabilidad = 95%

-

Desviación estándar = 0.39


79


-

Coeficiente de transferencia de carga = 2.20

Usando los valores de resistencia del hormigón y de la subrasante, además de otros datos, se calcula un Df de de 340 mm (13.4 pulg). Los factores de ajuste son usados en la ecuación 5.11 para calcular el D ef de de 180 mm (7.20 pulg). El factor A para convertir el espesor de la sobrecarpeta de hormigón a concreto asfáltico es 1.65. Usando la ecuación 5.1 el valor resultante final es de 260 mm (10.2 pulg) El espesor de la sobrecarpeta a cuanto puede ser bajada si las condiciones de drenaje son mejoras a regulares con 5% de condiciones saturadas?

La mejora en las condiciones de drenaje incrementan el coeficiente de drenaje a 1.1, de esta manera el df se reduce a 290 mm (11.4 pulg). El factor A cambia a 1.75, resultando en un espesor de 190 mm (7.4 pulg), lo que implica una reducción de 70 mm (2.80 pulg). Este ejemplo ilustra la importancia de un drenaje adecuado y el efecto del coeficiente de drenaje en el espesor de la sobrecarpeta. De todas maneras, si el coeficiente de drenaje es o no una medida adecuada del efecto de drenaje en el desempeño es todavía cuestionable. Problema 2 Un pavimento existente con juntas simples de 230 mm (9 pulg) será sobreencarpetado con HMA. El tráfico estimado es 25.5 millones de ESALs de pavimento rígido durante los 20 años del periodo de diseño. Los ensayos de deflexión han provisto los siguientes datos de la resistencia del hormigón y de la subrasante: -

Módulo de ruptura del hormigón = 6,200 kPa (900 lb/pulg 2)

-

Módulo elástico del hormigón = 40 GPa (5,805,600 lb/pulg 2)

-

Módulo k estático efectivo = 110 kPa/mm (400 lb/pulg 2 /pulg)

Otra información concerniente con la vía y las condiciones locales incluyen: -

Bermas de asfalto, J = 4

-

Drenaje regular con 5% del tiempo con condiciones cercanas a la saturación, C d = 1

-

No existe evidencia de fisuras en D, F dur = 1

-

Menor del 5% de losas fisuradas, F fat = 0.99

-

Aproximadamente 15 juntas deterioradas deterioradas por 1.60 km, F jc = 0.96

-

Serviciabilidad inicial = 4.5

-

Serviciabilidad final = 2.5

-

Confiabilidad = 95%

-

Desviación estándar = 0.39

Basado en esta información, determinar usando DIPAV 2.0 la sobrecarpeta de asfalto requerida para el pavimento existente Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Hormigón

80


Solución. Los datos de entrada son usados para calcular un D f de de 290 mm (11.4 pulg), como se presenta en las figuras siguientes. El D ef resulta resulta en 217 mm (8.50 pulg). El espesor requerido de sobrecarpeta es 138 mm (5.40 pulg). Que sucede si el valor del módulo de ruptura del hormigón fue sobre estimado en un 20%? El módulo de ruptura del hormigón deberá ser reducido a 5.0 MPa (720 lb/pulg 2). Esta disminución resulta en un D f de de 326 mm (12.8 pulg) y un espesor de sobrecarpeta de 190 mm (7.50 pulg). De esta manera, un cambio en el 20% en este módulo reduce el espesor en aproximadamente 50 mm (2 pulg). El módulo de ruptura es uno de los datos de entrada más sensibles en el diseño de pavimentos rígidos.

Figura 5.7 Determinación del Número Estructural para tráfico futuro

Figura 5.8 Determinación del espesor efectivo del pavimento existente


81


Figura 5.9 Determinación del espesor de sobrecarpeta de concreto asfáltico


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CAPITULO 6 CONCRETO ASFÁLTICO SOBRE PAVIMENTO DE ASFALTO/HORMIGÓN 6.1. Introducción La construcción de concreto asfáltico sobre pavimentos de hormigón simple, hormigón reforzado con juntas u hormigón continuamente reforzado que previamente tenían una sobrecarpeta de concreto asfáltico implica la realización de las siguientes tareas: - Reparación de áreas deterioradas y mejoras de las condiciones de drenaje. - Fresado de una porción de la superficie de concreto asfáltico. - Ensanche si fuera necesario. - Aplicación de riego de liga. - Colocación de la sobrecarpeta de concreto asfáltico, incluyendo control de reflexión de fisuras, si fuera necesario.

6.2. Factibilidad Este tipo de sobrecarpeta es una alternativa factible de rehabilitación a menos que las condiciones del pavimento existente exijan remociones y reemplazos sustanciales. Es factible excepto cuando: - La cantidad de fisuras y descascaramiento de juntas en la losa es tan grande que conviene reemplazarla totalmente la superficie del pavimento. - Hay serios deterioros en la losa de hormigón por problemas de durabilidad. - Disminuiría el gálibo bajo puentes. Cuando se va a colocar una sobrecarpeta de concreto asfáltico sobre un pavimento de hormigón con una sobrecarpeta de concreto asfáltico ya existente, se deben estudiar muy bien las causas de las fallas. Si la losa de hormigón está sana, pero la sobrecarpeta de concreto asfáltico está muy ahuellada o con otro tipo de deterioro, el mismo debe ser completamente reparado o fresado. Si, por el contrario, las fallas presentes en la superficie de la sobrecarpeta son reflexiones de deterioros del hormigón subyacente, el pavimento debe ser reparado en todo el espesor (hormigón más concreto asfáltico). De otro modo, las fallas se reflejarán rápidamente a través de la nueva sobrecarpeta. Se recomienda la toma de muestras y ensayos de deflexión para investigar las causas de las fallas fallas presentes y la extensión del deterioro.

6.3. Tareas previas a la sobrecarpeta Algunos tipos de deterioro deben ser reparados antes de la colocación de de la sobrecarpeta como se indica a continuación:

Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Asfalto / Hormigón

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Tabla 6.1

Tipo de falla Ahuellamiento

Reparación Fresado Reparación en todo el espesor o reemplazo Reflexión de fisuras de losa Reparaciones deterioradas Reparación en todo el espesor Sectores punzonados (punchouts) Reparación en todo el espesor Fallas localizadas en CA Parches en el CA Fallas localizadas en hormigón Reparación en todo el espesor Bombeo Drenes de borde Nivelación del concreto asfáltico, gateado Asentamientos y/o hinchamientos de losa o reconstrucción localizada. En pavimentos de CA sobre hormigón simple con juntas u hormigón reforzado con juntas, la reflexión de fisuras de media o alta severidad es una evidencia de fisuras de trabajo, de juntas deterioradas o de fallas en las reparaciones de la losa de hormigón. Todas ellas deben ser reparadas en todo su espesor. Puede haber reflexión de juntas de baja severidad en correspondencia con juntas regulares o en juntas reparadas previamente en todo su espesor. Si el deterioro no progresa en forma significativa puede ser suficiente sólo un simple sellado. Es muy conveniente la toma de muestras en zonas de deterioros importantes a los efectos de analizarlas mejor y ver si la fuente de estas fallas está en el concreto asfáltico o en el hormigón. Cuando se hace una reparación en todo el espesor se debe asegurar que se respeten los espesores preexistentes, tanto de hormigón como de concreto asfáltico. Las reparaciones en juntas deben hacerse con pasadores o barras de unión para asegurar una buena transferencia de cargas. En casos extremos, el hormigón puede estar más deteriorado en una mayor extensión de lo que se hace evidente en la superficie de asfalto. No es aconsejable reemplazar un pavimento de concreto asfáltico sobre hormigón por concreto asfáltico en todo el espesor dado que esto produciría manchas muy ásperas en la nueva sobrecarpeta y apertura de juntas y fisuras y un rápido deterioro por reflexión de fisuras en las cercanías de las fisuras. En el caso de reemplazar una porción de pavimento de hormigón continuamente reforzado se deben emplear armaduras que irán atadas o soldadas a la armadura existente a efecto de proveer una buena transferencia de cargas y continuidad de losa. La instalación de drenes de borde o el mantenimiento de drenes existentes de borde debe hacerse previamente a la colocación de la sobrecarpeta. Las juntas de alivio de tensiones deben ser ubicadas solamente en correspondencia con estructuras fijas o en intervalos regulares a lo largo del pavimento. La única excepción es cuando una reacción álcali-agregado produce expansión de la losa.

6.4. Control de reflexión de fisuras La reflexión de fisuras tiene lugar sobre fisuras reflejadas en la primera sobrecarpeta de concreto asfáltico. El mecanismo básico de la reflexión de fisuras es la concentración de deformaciones en la sobrecarpeta debido al movimiento de flexión o corte en las proximidades de juntas y fisuras del pavimento existente. El movimiento puede ser también contracción horizontal por cambios de temperatura. Estos movimientos están influenciados por el espesor y la rigidez de las capas de concreto asfáltico, el espesor de la losa de hormigón, el grado de transferencia de cargas en juntas Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Asfalto / Hormigón

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y fisuras, la falta de soporte de la losa de hormigón y las características del vehículo. Los movimientos inducidos por la diferencia de temperatura están influenciados por variaciones diarias y estacionales de temperatura, los coeficientes de expansión térmica de las capas de pavimento y el espaciamiento entre juntas y fisuras. Reparaciones previas en la sobrecarpeta, incluyendo reparaciones en espesor total, mejoras en subdrenaje y sellado profundo, son las formas más efectivas de controlar la ocurrencia de reflexión de fisuras y deterioros en la segunda sobrecarpeta a colocarse. Los tratamientos adicionales para evitar la reflexión de fisuras incluyen: - Colocación de una lámina sintética que sea capaz de absorber tensiones o una u na capa de un estabilizado granular bituminoso antes o durante la materialización de la sobrecarpeta. - Aserrado y sellado de juntas en la sobrecarpeta de concreto asfáltico en coincidencia con las juntas reflejadas y reparaciones de borde en el pavimento antiguo. Esta técnica ha sido muy exitosa cuando se aplicó a sobrecarpetas de concreto asfáltico sobre pavimentos de hormigón con juntas cuando el corte está dentro de los 25 mm de la junta o fisura recta (1 pulg). - Incremento del espesor de la sobrecarpeta, en este caso, la reflexión tarda más en manifestarse. La reflexión de fisuras puede tener una considerable influencia (a menudo controlada) en la vida de la sobrecarpeta de asfalto sobre el pavimento antiguo que ya ha recibido una sobrecarpeta anteriormente. Los deterioros en las fisuras reflejadas influyen en la serviciabilidad y requieren mantenimiento frecuente (sellado, fresado u bacheo). Las fisuras reflejadas también permiten la entrada de agua en el interior de la estructura. El agua en el pavimento puede resultar en la pérdida de adherencia entre el asfalto y el hormigón, disgregando las capas de asfalto, incrementando los daños por fisuras en D y agregados reactivos y disminuyendo la resistencia de las capas inferiores. De esta manera, las fisuras reflejadas deben ser selladas en el momento que aparecen y reselladas periódicamente a lo largo de la vida útil del pavimento. Sellar fisuras reflejadas de baja severidad pueden también ser efectivas en retardar su progresión hacia niveles medios y altos.

6.5. Subdrenaje Las condiciones del subdrenaje de un pavimento existente usualmente tienen gran influencia en el desempeño de la sobrecarpeta. Realizando la mejora de un subdrenaje pobre se afecta positivamente en el desempeño de la sobrecarpeta. La remoción del exceso de agua de la sección transversal del pavimento reduce la erosión e incrementa la resistencia de la base y subrasante, lo que adicionalmente reduce las deflexiones inducidas por el tráfico. Adicionalmente mejoras en el subdrenaje pueden disminuir la disgregación de las capas de asfalto.

6.6 Diseño del espesor de sobrecarpeta Si la sobrecarpeta se coloca a los efectos de satisfacer condiciones funcionales de la calzada como rugosidad o fricción, bastará colocar un espesor mínimo. Si, en cambio, la sobrecarpeta es colocada para mejorar las condiciones estructurales del pavimento, el espesor requerido es una función de la capacidad estructural necesaria para satisfacer las futuras necesidades del tránsito. Para determinar el espesor de la sobrecarpeta deben seguirse los pasos que se indican en los apartados siguientes:


85


6.6.1. Diseño del pavimento existente (Paso 1) Se debe conocer la siguiente información del pavimento existente que requiere el diseño de una sobrecarpeta: - Espesor existente de la capa de concreto asfáltico - Espesor existente del pavimento rígido - Tipo de transferencia de carga (barras pasajuntas, fricción de agregados, etc) - Tipo de berma (hormigón atado, asfalto, etc)

6.6.2. Análisis de tránsito (Paso 2) Se debe determinar el número de ESALs futuros en el carril de diseño durante el período de diseño (Nf ). ). Deben usarse los LEFs para pavimentos rígidos.

6.6.3. Observación del estado del pavimento existente (Paso 3) Un levantamiento de las condiciones del pavimento involucra la determinación del tipo, cantidad y severidad de los deterioros del pavimento existente. Muestreo a lo largo del carril de diseño se utiliza para estimar la cantidad de áreas deterioradas. Fallas para concreto asfáltico sobre hormigón con juntas o sobre hormigón reforzado con juntas: -

Número de fisuras reflejadas deterioradas por milla o km.

-

Número de parches de concreto asfáltico en todo el espesor y de juntas de expansión por milla o Km (excepto en puentes).

-

Evidencia de bombeo de finos o agua en fisuras y bordes del pavimento.

-

Profundidad media del ahuellamiento.

-

Número de fallas localizadas.

Fallas para concreto asfáltico sobre pavimento de hormigón con refuerzo continuo: -

Número de punzonados no reparados por milla o km.

-

Número de fisuras reflejadas no reparadas por milla o km.

-

Número de reparaciones existentes deterioradas y no reparadas y reparaciones en el concreto asfáltico en todo el espesor, por milla o km.

-

Evidencia de bombeo de finos o agua.

-

Profundidad media del ahuellamiento.


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6.6.4 Ensayos de deflexión (Paso 4) Es muy conveniente medir los cuencos de deflexión que se producen cuando se carga la losa con un dispositivo para NDT. Las zonas a analizar están separadas entre 30 y 300 m. Las deflexiones se miden con sensores ubicados a 0, 12, 24 y 36 pulg (0, 30, 60 y 90 cm) del centro de la carga. La medida de las deflexiones debe hacerse en correspondencia con la zona transitada por la rueda externa, a menos de que el ahuellamiento existente haga muy difícil la colocación del plato de carga. En este caso la medida de deflexiones se hará en la zona entre las ruedas externa e interna. Se recomienda realizar las mediciones con una carga de 40 kN (9,000 lb) . Se debe tener en cuenta: 6.6.4.1 Temperatura de la mezcla de concreto asfáltico. Esta temperatura puede medirse directamente perforando un agujero en la superficie del concreto asfáltico, insertando un líquido y una sonda para medir temperatura. Se lee la temperatura cuando la misma se estabiliza. Esto debe hacerse al menos tres veces durante cada día de ensayo, para tener una curva de temperatura versus tiempo y poder usarla para asignar una temperatura de mezcla a cada cuenco. Si no se puede medir la temperatura dentro de la capa de concreto asfáltico, se la puede aproximar a partir de correlaciones con la superficie del pavimento y temperatura del aire. La temperatura de la superficie del pavimento puede hacerse durante el ensayo de deflexión usando un sensor infrarrojo manual. En cuanto a la temperatura del aire, deberá tomarse la media de los cinco días previos al ensayo de deflexión. 6.6.4.2 Módulo elástico del concreto asfáltico. Este módulo debe ser determinado para cada cuenco de deflexión. Se puede hacerlo mediante una estimación de la temperatura de la mezcla de CA y con el ensayo de módulo resiliente diametral: 6.6.4.2.1 Estimación a partir de la temperatura de la mezcla de CA El módulo elástico del concreto asfáltico E AC se determina a partir de las propiedades de la mezcla y la temperatura de la mezcla de concreto asfáltico medida en el ensayo de deflexión.

 P200   - 0.03476 V v 0.17033  F 

log Eac = 5.553833 + 0.028829 

+ 0.070377 η70°F, 10 6 + 0.000005 t p(1.3 + 0.49825 log F) Pac

-

0.00189 1.1

F

(1.3 + 0.49825 log F)

t p

Pac

0.5

0.5

(6.1)

 1   0.02774  F 

+ 0.931757 

donde: E AC = módulo elástico del concreto asfáltico, en psi P200 = porcentaje de agregados que pasan el tamiz N°200 F = frecuencia de carga, Hz Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Asfalto / Hormigón

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V V = relación de vacíos, en % η70ºF,106 =

viscosidad absoluta a 70°F (21ºC), 10 6 poise (p/ej = 1 para AC-10; 2 para AC-20)

P AC = contenido de asfalto, porcentaje por peso de mezcla tp = temperatura de la mezcla de concreto asfáltico, °F Esto puede ser reducido a una relación entre el módulo del concreto asfáltico y la temperatura del mismo para una frecuencia particular (por ejemplo, 18 Hz para una duración de carga de 25 a 30 milisegundos), considerando valores típicos para la mezcla de concreto asfáltico. Por ejemplo si se toma: P200 =4% V V = 5% η 70°F’ 106 =

2 para AC-20

P AC = 5% F = l8Hz se tiene: log E AC = 6,451235-0,000164671 tp1,92544

(6.2)

Variando los datos anteriores se obtendrá otra expresión del mismo tipo, pero estas expresiones son correctas para mezclas nuevas. Un concreto asfáltico que tenga años de servicio tendrá un módulo mayor debido a la rigidización del asfalto o bien un módulo menor debido a los deterioros, a esa misma temperatura. 6.6.4.2.2 Ensayo de módulo resiliente diametral E AC puede obtenerse a partir de ensayos de laboratorio hechos sobre muestras tomadas del pavimento existente (Ver paso 5) y de esta manera se puede correlacionar E AC con la temperatura. 6.6.4.3 Módulo k dinámico efectivo bajo la losa de hormigón. La compresión que se produce en la capa de asfalto debajo del plato de carga se calcula usando las siguientes ecuaciones: Concreto asfáltico y hormigón adheridos d0compres = -0,0000328+121,5006(D AC /E /E AC)1,0798

(6.3)

Concreto asfáltico y hormigón no adheridos d0compres = -0,00002133+38,6872 (D AC /E AC)0,94551


(6.4)

88


donde: d0compres = compresión del concreto asfáltico en el centro del plato de carga (pulg) D AC = espesor de concreto asfáltico E AC = módulo elástico del concreto asfáltico (psi) La condición en la interfase es una incógnita en la determinación del módulo k. Cuando acaba de colocarse el concreto asfáltico sobre el hormigón hay muy buena adherencia, pero no se sabe si ésta se mantendrá en el tiempo. Análisis mediante toma de núcleos puede mostrar una reducción o una completa pérdida de adherencia, particularmente si la disgregación se produce en la interface asfalto hormigón. Usando las ecuaciones anteriores, la deflexión d 0 de la losa de hormigón puede ser determinada sustrayendo la compresión que tiene lugar en la superficie de concreto asfáltico del d 0 medido en la superficie. Para entender mejor este concepto, ver la fig. 6.1.

Fig. 6.1. Deformaciones en hormigón y concreto asfáltico

La deformación en el hormigón es: D0 PCC = d0sup - d ocomp

(Ec. 6.5)

donde; D0 PCC = deflexión del hormigón en el centro del plato de carga, pulg d0sup = deflexión de la superficie d 0 menos compresión del CA


89


di = deflexiones a 305, 610 y 914 mm (12, 24 y 36 pulg) desde el centro del plato de carga Así se puede computar el área del cuenco cuenco de deflexiones de la losa de hormigón:



      d 12   + 2  d 24  +  d 36         d 0 pcc   d 0 pcc   d 0 pcc  

AREA pcc = 6 x  1 + 2 



(6.6)

De fig. 5.2, con d 0PCC y AREAPCC se determina el valor de k dinámico debajo de la losa de hormigón para una placa circular de 5,9 pulg y carga de 40 kN. 6.6.4.4 Módulo k estático efectivo El valor estático efectivo de k se lo obtiene dividiendo el valor de k dinámico por 2 de la misma forma que en anteriores casos. k efectivo estático =


(6.7)

6.6.4.5 Módulo elástico de la losa de hormigón. Se entra en la fig. 5.3 con el valor de AREA PCC, se busca la curva de k dinámico y luego el valor de ED3, siendo D el espesor de la losa de hormigón. Los valores de E varían entre 3x10 6 a 8x106 psi (21,000 a 56,000 MPa). Si el valor obtenido está fuera de este rango, puede haber un error en el valor considerado de D, el cuenco de deflexiones pudo haber sido medido sobre una fisura o el hormigón puede estar muy deteriorado. 6.6.4.6 Transferencia de cargas. Esto es válido para pavimentos de concreto asfáltico sobre hormigón con juntas u hormigón reforzado con juntas. La transferencia de cargas debe medirse en correspondencia con la trayectoria de la rueda externa o entre las trayectorias de ruedas si el concreto asfáltico está muy ahuellado. La transferencia de cargas no debe medirse si la temperatura ambiente es mayor de 80°F (27°C). Se debe ubicar el plato de carga en un lado de la fisura reflejada de tal manera que llegue a tocar a la junta. Se debe medir la deflexión en el centro de la placa y a 12 pulg del centro. La transferencia de cargas se computa con la fórmula:

 Δ ul  xB Δ  l 

Δ LT = 100 x 

(6.8)

donde los términos tienen el siguiente significado: ∆ ul ul = ∆ l =



B = factor correctivo por flexión de losa Se aplica el factor correctivo B porque las deflexiones d 0 y d12 no serian las mismas que se medirían en el centro de la losa. B puede determinarse así:


90


B=

d 0 center

(6.9)

d 12 centro

B varía entre 1,05 y 1,15. Si se diseña una sobrecarpeta simple para una sección uniforme, debe computarse el coeficiente de transferencia promedio de toda la sección. Para pavimentos de hormigón simple con juntas y pavimentos reforzados con juntas el coeficiente de transferencia J se determina usando la siguiente tabla. Si la rehabilitación incluirá la adición de una berma atada, lo apropiado sería tomar valores bajos. Tabla 6.2

Porcentaje de transferencia de cargas > 70 50 - 70 < 50


Para pavimentos con refuerzo continuo, J varía entre 2,2 y 2,6.

6.6.5. Extracción de núcleos y ensayo de materiales (Paso 5) La extracción de núcleos y ensayo de materiales es altamente recomendado para analizar el pavimento existente, especialmente en carreteras de alto tráfico. 6.6.5.1 Módulo de la superficie del concreto asfáltico. Con las muestras extraídas de la superficie de concreto asfáltico en zonas no fisuradas se puede determinar en laboratorio el módulo elástico del concreto asfáltico. El ensayo se realiza mediante el ensayo de tracción indirecta con cargas repetidas (ASTM D 4123). Este ensayo debe hacerse a dos o más temperaturas (5°, 20°, 30° C) para obtener puntos de la curva log E AC vs temperatura. Los valores del módulo elástico del concreto asfáltico a cada temperatura pueden ser interpolados a partir de los datos de laboratorio. Por ejemplo, si t está entre 21° y 32°C se usará esta expresión:  log Eac 70° F - log Eac 90° F   (t°F - 70°F) + log Eac 70° F 70 - 90  

log Eac t ° F = 

(6.10)

A los efectos de interpretar los datos del deflectómetro de impacto, los valores obtenidos mediante ensayos de laboratorio deben ser ajustados para tener en cuenta la diferencia entre la frecuencia de la carga de laboratorio (1 a 2 Hz) y la del dispositivo para medición en el terreno (18 Hz para el deflectómetro de impacto). Este ajuste se hace multiplicando el valor de E AC de laboratorio por una constante que puede determinarse para cada temperatura de ensayo de laboratorio con la ecuación dada en el paso 4 (Ecuación 6.1). Los valores de la frecuencia en el campo son de 2 a 2,5 veces más altos que en laboratorio. 6.6.5.2 Módulo de rotura del hormigón. Para la determinación del módulo de rotura S C’ del hormigón se deben extraer núcleos de 150 mm (6 pulg) de diámetro del centro de la losa y hacer un ensayo de tracción indirecta. El módulo de rotura se puede estimar usando la siguiente ecuación (Foxworthy 1985)


91


SC’ = 210 + 1,02 IT

(6.11.a)


(6.11.b)


6.6.6. Determinación del espesor de losa requerida para el tránsito futuro Df (Paso 6) Las variables para determinar D f son en función de los datos de la losa existente y de las propiedades de la fundación. Es necesario recalcar que las propiedades de la losa existente (módulo elástico, módulo de rotura y transferencia de carga) controlan el comportamiento de la sobrecarpeta de concreto asfáltico. Para ello es necesario conocer: 6.6.6.1 Módulo k estático efectivo El módulo k estático efectivo e fectivo debajo del pavimento rígido existente se puede determinar por alguno de estos métodos: - Cálculo del k efectivo dinámico a partir de medidas de cuencos de deflexión. Dividiendo el valor obtenido por 2 se obtiene el k efectivo estático. Cuando sea necesario, este módulo k efectivo debe ser corregido por efectos estacionales. - Determinación del módulo k por el ensayo de placa luego de la remoción de la losa en determinados sitios. Esta alternativa es muy costosa y consume mucho tiempo, por lo que se la usa muy poco. - Estimación a partir de datos de suelos, tipo de base y espesores, usando los gráficos de capítulo 5, gráfica 5.4. Esta alternativa es simple, pero el módulo k obtenido debe considerarse como una estimación preliminar. 6.6.6.2 Pérdida de serviciabilidad de diseño Es la diferencia entre la serviciabilidad inmediatamente después de la sobrecarpeta y la serviciabilidad en el momento de la próxima rehabilitación. 6.6.6.3 Coeficiente de transferencia de cargas de la losa existente La guía para obtener el coeficiente de transferencia de carga se discute en el paso 4. Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Asfalto / Hormigón

92


6.6.6.4 Módulo de rotura del hormigón. El módulo de rotura puede ser determinado por alguno de los siguientes métodos: - Estimación a través de la resistencia a la tracción indirecta (Ver paso 5). - Estimación a través del módulo elástico del pavimento existente: SC’ = 43,5 (E/l0 6) + 488,5

(6.12.a)


(6.12.b)

donde: E=módulo elástico del hormigón (kPa) 6.6.6.5 Módulo elástico de la losa de hormigón. El módulo elástico se puede determinar por algunos de los dos siguientes métodos: - Cálculo a partir de medidas de deflexiones (Paso 4) - Estimación a partir de la resistencia a la tracción indirecta. 6.6.6.6 Pérdida de soporte de la losa existente. Los procedimientos mediante ensayos de deflexión para investigar la pérdida de soporte bajo un pavimento de concreto asfáltico sobre hormigón no están todavía bien establecidos. Se aconseja tomar LS = 0,0 para el diseño de la sobrecarpeta (losa completamente apoyada). 6.6.6.7 Confiabilidad R de la sobrecarpeta La confiabilidad afecta grandemente el espesor de la sobrecarpeta. Una sobrecarpeta debería ser diseñada para diferentes niveles de confiabilidad usando el procedimiento de pavimentos nuevos. De todas maneras, dependiendo de las consecuencias de la falla de una sobrecarpeta deben adoptarse valores entre altos o bajos. 6.6.6.8 Desvío standard S 0 Las consideraciones de incertidumbre son diferentes para sobrecarpetas y pavimentos rígidos nuevos. De esta manera, los valores que se adoptan para pavimentos nuevos pueden no ser apropiados para este diseño. Asimismo los valores apropiados varían según el tipo de sobrecarpeta. Se recomienda adoptar un valor de 0.39 para cualquier tipo de sobrecarpeta que use la ecuación de diseño para pavimentos rígidos.


93


6.6.6.9 Capacidad de drenaje bajo la losa existente de hormigón. Si hay problemas de bombeo o de desplazamiento vertical diferencial (faulting) significa que hay problemas de drenaje, se aconseja tomar C d = 1,0. 6.6.6.10 Capacidad de subdrenaje de la losa existente El bombeo o movimientos diferenciales verticales en juntas o fisuras son indicios de que hay problemas de drenaje. Tomar en cuenta que en el AASHO Road Test un C d = 1.0 representa condiciones pobres de drenaje. Bombeo o escalonamiento en fisuras es un reflejo de que existen problemas de subdrenaje.

6.6.7. Determinación del espesor de losa efectivo D, del pavimento existente (Paso 7) Una inspección de campo es necesaria para la determinación del D ef . El espesor efectivo losa puede determinarse con la siguiente ecuación:

  Dac    x Fac    2.0  

Deff = D pcc x F jc x Fdur +  

(6.13)

donde: DPCC = espesor de la losa existente (pulg o mm) D AC = espesor de concreto asfáltico existente (pulg o mm) Los términos F son factores de ajuste como se explican a continuación: - Factor de ajuste por juntas y fisuras . Este factor hace un ajuste por una pérdida extra de

serviciabilidad causada por fisuras reflejadas y deterioradas en la sobrecarpeta que son el resultado de juntas o fisuras no reparadas y otros tipos de discontinuidades en el pavimento existente. Una junta deteriorada o una fisura se reflejarán rápidamente en la sobrecarpeta con la consecuente pérdida de serviciabilidad. Es por esto que se recomienda que todas las juntas deterioradas, fisuras y cualquier otro tipo de discontinuidades en la losa existente sean reparadas en todo su espesor tomando las previsiones de vinculación (barras pasajuntas o barras de unión) al pavimento existente. Reparación de todos estos deterioros resultan en un F jc igual a 1.0. Si no es posible reparar todas las áreas deterioradas, el espesor de la sobrecarpeta debe ser incrementado con el objeto de tomar la pérdida de serviciabilidad. Con la siguiente información en pavimentos que no tienen problemas de durabilidad y reacción álcali-agregado se puede determinar F jc - Número de juntas deterioradas no reparadas por milla o 1.6 km. - Número de fisuras deterioradas no reparadas por milla o 1.6 km. - Número de sectores punzonados no reparados por milla o 1.6 km.


94


- Número de juntas de expansión, excepcionalmente juntas anchas (>2,5 mm) y parches de concreto asfáltico en todo el espesor, por milla o 1.6 km. En función del número de juntas deterioradas no reparadas, fisuras, baches, etc., se determina el F jc mediante el gráfico siguiente

(12)

(50)

(90)

(125) (km)



que puede tener el pavimento existente cuando hay fisuras de durabilidad o fallas debidas a reacción álcali-agregado. Los valores a adoptar para F dur son: Fdur = l,00 No hay problemas de durabilidad. Fdur = 0,96-0,99 Hay fisuras de durabilidad, pero sin desportilladuras Fdur = 0,88-0,95 Fisuras importantes y algo de desportilladuras Fdur = 0,80-0,88 Gran extensión de fisuras y desportillamiento severo -

Factor de ajuste por calidad del concreto asfáltico (F AC ). Este factor tiene en cuenta la

contribución del concreto asfáltico existente en la ecuación con la que se determina D ef y está basado en la calidad del concreto asfáltico. Este valor sólo depende de deterioros o fallas en el concreto asfáltico pura y exclusivamente, es decir no tiene en


95


cuenta la reflexión de fisuras o juntas, ya que éstas están relacionadas con el hormigón que se encuentra abajo. Las fallas que tiene en cuenta el F AC son aquéllas que no pueden ser eliminadas por fresado superficial del concreto asfáltico: ahuellamiento, peladuras/desprendimientos, ondulaciones transversales, etc. Los valores a usar son: Tabla 6.3

F AC 1 0,96-0,99

Tipo de falla Sin fallas Fallas leves, peladuras/desprendimientos Fallas significativas, ahuellamiento, 0,88-0,95 peladuras/desprendimientos con estriado, ondulaciones 0,80-0,87 Fallas severas (ídem caso anterior, pero más severas)

6.6.8. Determinación del espesor de sobrecarpeta (Paso 8) El espesor de la sobrecarpeta de asfalto se computa como sigue: Dol = A x ( Df - Def )

(6.14)

Donde: Dol = Espesor requerido de la sobrecarpeta de concreto asfáltico A = Factor para convertir deficiencia en el espesor de hormigón en espesor de concreto concreto asfáltico Df = = Espesor requerido de losa para soportar el tráfico futuro Def = = Espesor efectivo de la losa existente El factor A que es función de la deficiencia en el espesor del pavimento de hormigón, se determina por la siguiente figura o ecuación (esta ecuación se explica en la primera parte del capítulo):


96


(25)

(65)

(100)

(140)

(180)

(200) (mm)

Fig. 6.3. Factor A para conversión de deficiencia en espesor de H° en espesor de CA

A = 2.2233 + 0.0099 ( Df - Def ) - 0.1534 ( Df - Def ) 2


(6.15)

97



________________ ________________________ ________________ ________________ ________________ ________________ _________________ ________________ _______________ ______________ ______ LOSA:

Espesor CA existente

= ____________________ pulg (mm)

Espesor existente losa

= ____________________ pulg (mm)

Tipo de transferencia de carga: disp. Mecánico, fricción agregados Tipo de berma = berma atada, otra Módulo de ruptura del hormigón (típicamente 600 a 800 psi)

= _____________________ psi (kPa)

Módulo elástico del hormigón (3 a 8 millones psi para H° íntegro, < 3 millones para H° deteriorado)

= ______________________ psi(kPa)

Coeficiente de transferencia de carga, J = _____________________ (3.2 a 4.0 para H° simple c/juntas, 2.2 a 2.6 para H° continuam reforzado) TRAFICO:

ESALs en el carril de diseño durante el periodo de diseño (Nf )

= _____________________

SOPORTE Y DRENAJE:

Coef. k efectivo dinámico= 2 lb/pulg /pulg

_____________________

Coef. k estático = Coef. k efectivo dinámico / 2= 2 lb/pulg /pulg 2 (típicam. 50 a 500 lb/pulg /pulg)

_____________________

Coeficiente de drenaje, Cd (típicam. 1.0 para condiciones pobres de drenaje)

= _____________________

PERDIDA DE SERVICIABILIDAD:

Pérdida de serviciabilidad (P1 - P2)

= _____________________

CONFIABILIDAD:

Confiabilidad de diseño, R (80 a 99%)

= _____________________ %

Coef. de desviación estándard, So (típicam. 0.39)

= _____________________

CAPACIDAD ESTRUCTURAL FUTURA:

El espesor de losa requerido para tráfico futuro se determina de la ecuación de diseño de pavimento rígido. Df = __________________ pulg (mm)


98



________________ ________________________ ________________ ________________ ________________ ________________ _________________ ________________ _______________ ______________ ______ Método del factor de condición: F jc

Número de juntas deterioradas no reparadas por milla Número de fisuras deterioradas no reparadas por milla Número de sectores punzonados no reparados por milla Número de juntas de expansión, excepcionalmente juntas anchas (>2,5 mm) y parches de concreto asfáltico en todo el espesor, por milla Total por milla

= ______________________ = ______________________ = ______________________ = ______________________ = ______________________

F jc = _________________ (Figura 6.1) (Valor recomendado 1.0, reparar todas las áreas deterioradas) Fdur

1.00: 0.96-0.99: 0.88-0.95: 0.80-0.88:

No existen señales de de problemas de durabilidad durabilidad Algunos problemas problemas de de durabilidad, durabilidad, pero no desportilladuras desportilladuras Varias fisuras y algo de desportilladuras Muchas fisuras y desportilladuras Fdur = ________________

Fac

1.00: No existe deterioro en el asfalto 0.96-0.99: Deterioros menores menores que no se corrigen con fresado (por ej. descascaramiento) descascaramiento) 0.88-0.95: Deterioro significativo del material de asfalto (ahuellamiento, disgregación, desplazamiento) 0.80-0.88: Deterioro severo del del asfalto (ahuellamiento, disgregación, desplazamiento) desplazamiento) Fac = ________________

  Dac    x Fac  =   2.0  

Def = D pcc x F jc x Fdur +  

A = 2.2233 + 0.0099 ( Df - Def ) - 0.1534 ( Df - Def ) = _______________ 2

Dol = A (Df - Def ) = ___________________


99


6.7 Fresado superficial Si la superficie existente de concreto asfáltico se fresa antes de colocar la sobrecarpeta, la profundidad de fresado debe considerarse en la determinación de D ef . No se debe hacer ningún ajuste si la profundidad de fresado no excede el mínimo necesario para eliminar el ahuellamiento. Si se fresa un espesor mayor, sólo debe considerarse el espesor remanente de concreto asfáltico para la determinación de D ef .

6.8 Bermas El sobreencarpetado de carriles de tráfico generalmente requiere que se coloque sobrecarpetas sobre las bermas y que éstas queden al mismo nivel del pavimento nuevo. El proyectista debe considerar la extensión del deterioro en la berma existente y la cantidad de tráfico que usará la berma. Si una berma existente está en buenas condiciones, cualquier sector deteriorado debe ser reparado. Si está en condiciones pobres, la reparación no es económica, siendo lo recomendable su remoción y reemplazo.


6.10 Ejemplos de diseño Problema 1 Una sobrecarpeta de asfalto para una calle principal está siendo diseñada para un pavimento de hormigón de 200 mm de espesor que ya tiene una sobrecarpeta de asfalto de 65 mm (2.5 pulg). El ensayo de núcleo revela que el asfalto está de alguna manera no adherido al hormigón. La sobrecarpeta se espera que pueda soportar 3 millones de ESALs de pavimento rígido durante el periodo de diseño. Una inspección de campo indica que 60 fisuras reflejadas no reparadas existen por cada 1.6 km (1 milla). No existe evidencia o datos de problemas de durabilidad del hormigón, pero se presentan ahuellamiento y disgregación en la actual sobrecarpeta de asfalto. La tabla 6.4 presenta los datos de deflexión con el FWD. La temperatura del CA durante el ensayo fue de 26 °C (78 °F). En base a esta información, determinar el espesor de sobrecarpeta requerido utilizando el método de inspección de campo. Tabla 6.4 Deflexiones de datos de deflectómetro

Número de ensayo

Carga en KN (lb)

Do µm (in)

D12 µm (in)

D24 µm (in)

D36 µm (in)

1 2 3 4

40.46 (9096) 40.53 (9112) 40.28 (9056) 40.46 (9096)

141 (0.00554) 123 (0.00484) 167 (0.00659) 114 (0.00449)

114 (0.00448) 92.5 (0.00364) 119 (0.00469) 95.5 (0.00449)

96 (0.00377) 77 (0.00303) 98 (0.00386) 80 (0.00316)

73.9 (0.00291) 58.9 (0.00232) 74.9 (0.00295) 63.2 (0.00249)


100


Solución: Asumiendo que Eac es 3,682 MPa (534,000 psi) y al constatarse que la sobrecarpeta de asfalto no está adherida, se usa la ecuación 6.4 para determinar la compresión del CA en el centro de carga. Este valor es sustraído de la deflexión medida para la superficie del CA y proyectada para los 40 kN (9,000 lb) para obtener la deflexión de la losa de hormigón. El AREA de la losa de hormigón es determinada para cada deflexión. El módulo k dinámico efectivo se determina usando la ecuación 5.3. EPCC se determina obteniendo ED 3 de la figura 3.3.2. La tabla 6.5 presenta los resultados para cada ensayo. El módulo k dinámico promedio es 92 kPa/mm (338 lb/pulg2/pulg), que corresponde a un k estático efectivo de 46 kPa/mm (169 lb/pulg2/pulg). El EPC promedio es 26 GPa (3,800,000 psi). Usando este valor en la ecuación hhhh, S’c es 4,510 kPa (543 psi) Tabla 6.5 Resultados retrocalculados con datos de FWD

Número de ensayo

AREA mm (pulg)

Kdyn, kPa/mm (lb/pulg2/pulg)

E losa, GPa 6 (10 lb/pulg2/pulg)

1 2 3

720 (28.36) 682 (26.84) 641 (25.22)

74 (273) 115 (422) 107 (395)

26 (3.8) 23 (3.3) 12 (1.8)

4

751 (29.57)

71 (262)

43 (6.3)

92 (338)

26 (3.8)

Promedio:

Las otras entradas del diseño están basadas en la consideración de la importancia funcional del pavimento, el conocimiento de la calidad de construcción local y la experiencia ingenieril: -

Servicialibilidad inicial = 4.5 Serviciabilidad final = 2.5 Confiabilidad = 90% Desviación estándar = 0.39 Pérdida de soporte = 0 Coeficiente de transferencia de carga = 3.2 Coeficiente de drenaje = 1.0

Usando estos datos Df es 210 mm (8.4 pulg). El pavimento existente tiene un total de 60 áreas no reparadas por 1.6 km (1 milla), que corresponde a un F jc de 0.85. No existe evidencia de problemas de durabilidad en el hormigón de tal modo que F dur es 1.0. Se presenta en el asfalto algo de ahuellamiento y descascaramiento de tal manera que el F ac es de 0.94. Utilizando la ecuación 6.13 Def es 200 mm (7.7 pulg). El espesor requerido de sobrecarpeta resultante da un valor de 33 mm (1.3 pulg). De todas maneras, una sobrecarpeta con ese espesor no es factible de ser construida por lo que debe colocarse el mínimo requerido. Problema 2 Una vía urbana consistente en 75 mm (3 pulg) de una sobrecarpeta de asfalto colocada sobre un pavimento rígido antiguo de 250 mm (10 pulg) necesita ser rehabilitada. Se han extraído núcleos de las capas existentes las cuales presentan signos de buena adherencia. La alternativa de rehabilitación propuesta consiste en fresar el pavimento de asfalto existente y colocar una sobrecarpeta de asfalto que pueda soportar 17.7 millones de ESALs de pavimento rígido. El ensayo FWD produce una deflexión de 75.9 µm (0.00299 pulg) en el centro de la carga de 40 kN (9,000 lb) y deflexiones de 66.0, 55.6 y 47.2 µm (0.00260, 0.00223 y 0.00186 pulg) a 305, 610 y 914 mm (12, 24 y 36 pulg) desde el centro de la carga, respectivamente. La temperatura durante el ensayo Concreto Asfáltico sobre Pavimento de Asfalto / Hormigón

101


fue de 15 °C (59 °F). Utilizando DIPAV, determinar el espesor requerido de la sobrecarpeta de asfalto utilizando el método del factor de condición. Solución: Usando el retrocálculo punto por punto en DIPAV 2.0 E ac, S’ c, Epcc, módulo k dinámico y B son determinados. La figura 6.3 presenta los resultados. Basados en estos datos, así como las consideraciones funcionales de importancia, el conocimiento de las condiciones locales y la experiencia ingenieril, los datos de entrada en la figura 6.4 y 6.5 son seleccionados. La figura 6.6 presenta el espesor requerido de sobrecarpeta de concreto asfáltico de 55 mm (3.0 pulg).

Figura 6.4 Resultados retrocalculados con datos de FWD

Figura 6.5 Espesor de pavimento para tráfico futuro


102


Figura 6.6 Espesor efectivo existente

Figura 6.7 Resultados espesor sobrecarpeta de asfalto


103


CAPITULO 7 SOBRECARPETA DE HORMIGÓN ADHERIDA A PAVIMENTO EXISTENTE DE HORMIGÓN 7.1. Introducción Las sobrecarpetas de hormigón adheridas a pavimentos rígidos existentes en todas sus variantes (hormigón simple con juntas, hormigón reforzado con juntas y hormigón continuamente reforzado) implican la realización de estas tareas: - Reparación de áreas deterioradas y mejoramiento de las condiciones de drenaje, si fuese necesario - Construcción de ensanches, si fuera necesario. - Preparación de la superficie del pavimento existente para asegurar una buena adherencia. - Colocación de la sobrecarpeta de hormigón. - Aserrado y sellado de juntas

7.2. Factibilidad Este tipo de solución es factible excepto en los casos en que el pavimento existente esté tan deteriorado que sea aconsejable su remoción y reemplazo. Los casos en que la sobrecarpeta de hormigón adherida no es factible son: - El grado de fisuración en losas y de desportillamiento en juntas es tan grande que es aconsejable la remoción total del pavimento existente. - Deterioros serios en las losas de hormigón debido a problemas de durabilidad. - En pasos a bajo nivel cuando las condiciones de gálibo no permiten colocar una sobrecarpeta. Es poco probable que ocurra ésto, ya que este tipo de sobrecarpeta es de poco espesor. Si la duración de la construcción es crítica, se puede construir la sobrecarpeta con hormigón de alta resistencia inicial. En algunos casos se han abierto al tráfico pavimentos dentro de 6 a 24 horas después del vaciado.

7.3. Tareas de reparación previas Algunos tipos de deterioros de un pavimento rígido existente a ser sobreencarpeta con hormigón adherido deben ser reparados antes de la colocación (ver tabla 7.1)

Sobrecarpeta de Hormigón Adherida a Pavimento existente de Hormigón

104


Tabla 7.1

Tipo de falla

Reparación

Fisuras de trabajo

Reparación en todo el espesor o reemplazo de losa

Sectores c/punzonamiento

Reparación en todo el espesor

Juntas desportilladas

Reparación total o parcial en el espesor

Parches deteriorados

Reparación en todo el espesor

Bombeo/escalonamiento

Drenes de borde

Asentamiento/hinchamiento Gateado de losa o reconstrucción localizada localizada Cuando se requiere reparaciones en todo el espesor de la losa o reemplazo de losas de hormigón simple o reforzado, las reparaciones deben ejecutarse con hormigón y no rellenarse con concreto asfáltico. Las juntas deben contar con pasadores o barras de unión a fin de asegurar una buena transferencia de cargas a través de la junta reparada. El uso de concreto asfáltico en lugar de hormigón, ha presentado resultados deficientes, puesto que aparecen manchas en la sobrecarpeta, apertura de juntas y fisuras y rápido deterioro en las inmediaciones del parche de concreto asfáltico. En el caso de pavimentos de hormigón con refuerzo continuo, las reparaciones en espesor completo deben asegurar una buena continuidad en la armadura mediante soldadura o empalme con la armadura existente. No deben hacerse reparaciones con concreto asfáltico previo a la colocación de la sobrecarpeta. La instalación de drenes de borde, mantenimiento de drenes existentes o tareas de mejoramiento de las condiciones de drenaje deben ser hechas antes de la colocación de la sobrecarpeta. Las juntas de alivio de tensiones deben ser ubicadas solamente en correspondencia con estructuras fijas y no en intervalos regulares a lo largo de la calzada. La única excepción es c uando se produzca una expansión en la losa por reacción álcali-agregado. Juntas que tengan una cantidad significativa de materiales incompresibles deben ser limpiadas y reselladas antes del colocado de la sobrecarpeta.

7.4. Control de reflexión de fisuras Toda fisura de trabajo (desportillada o escalonada) en el pavimento de hormigón antiguo se reflejará en la sobrecarpeta de hormigón en menos de un año. Las reparaciones en espesor total en fisuras de trabajo del pavimento existente controlarán la reflexión de fisuras en la sobrecarpeta adherida. En pavimentos de hormigón con juntas y hormigón refuerzado con juntas, el aserrado y sellado de juntas en la sobrecarpeta en coincidencia con las juntas reparadas pueden controlar la reflexión de fisuras. Las fisuras cerradas y que no trabajan no necesitan ser reparadas, debido al cambio mínimo que les afecta y a su habilidad de mantenerse unidas.

7.5. Subdrenaje Las condiciones del subdrenaje de un pavimento existente usualmente tienen gran influencia en el desempeño de la sobrecarpeta. Realizando la mejora de un subdrenaje pobre se afecta positivamente en el desempeño de la sobrecarpeta. La remoción del exceso de agua de la sección transversal del pavimento reduce la erosión e incrementa la resistencia de la base y subrasante, lo que adicionalmente reduce las deflexiones inducidas por el tráfico. Sobrecarpeta de Hormigón Adherida a Pavimento existente de Hormigón

105


7.6. Diseño del espesor Si la sobrecarpeta se coloca al solo efecto de mejorar las condiciones funcionales de la calzada, bastará colocar un espesor mínimo. Si, en cambio, fuera necesario mejorar las condiciones estructurales del pavimento, el espesor requerido de la sobrecarpeta depende de la capacidad estructural requerida para soportar las demandas futuras de tráfico y de la capacidad estructural del pavimento existente. Se han colocado con éxito sobrecarpetas tan delgadas como 50 mm (2 pulg) y tan gruesas como 150 mm (6 pulg) o más. En la mayoría de los casos se tiene un rango entre 75 y 100 mm (3 y 4 pulg). Si la sobrecarpeta adherida está siendo colocada solamente para propósitos funcionales, un espesor de 75 mm (3 pulg) debería ser adecuado. Dol = Df - Def

(7.1)

donde: Dol = espesor requerido del refuerzo de hormigón Df = = espesor de losa necesario para soportar el tránsito futuro Def = = espesor efectivo de la losa existente En general, los espesores de refuerzo de hormigón varían entre 2 y 6 pulg (5 a 15 cm), siendo lo más común adoptar espesores de 3 a 4 pulg (7,5 a 10 cm). Para proceder a la determinación del espesor del refuerzo deben seguirse los pasos que se indican en los apartados siguientes. Si no fuera posible hacer ensayos, se pueden obviar los pasos 4 y 5 y reemplazarlos por observación visual de las fallas y estimando otros datos de entrada.

7.6.1. Diseño del pavimento existente (Paso 1) La siguiente información del pavimento existente es requerida para el diseño de una sobrecarpeta de hormigón adherida: - Espesor de losa existente. - Tipo de transferencia de carga (dispositivos mecánicos, trabazón entre agregados, hormigón continuamente reforzado). - Tipo de berma (atada, de asfalto, etc)

7.6.2. Análisis de tránsito (Paso 2) En el proceso de diseño de sobrecarpetas adheridas de hormigón sobre pavimentos rígidos antiguos, se requiere un análisis de tráfico para determinar: - Número de ESALs acumulados en el carril de diseño (N p) para usarlo en el método de vida remanente para determinar D ef - Número de ESALs futuros previstos en el carril de diseño para el período de diseño (N f ). ). Sobrecarpeta de Hormigón Adherida a Pavimento existente de Hormigón

106


Los ESALs deben ser computados usando los factores de pavimentos rígidos.

7.6.3. Inspección de la condición (Paso 3) Una inspección de la condición involucra la determinación del tipo, cantidad y severidad de los deterioros en el pavimento existente. Es conveniente realizar extracción de núcleos para una cuantificación más adecuada. Para el caso de pavimentos de hormigón simple con juntas u hormigón reforzado con juntas se debe cuantificar: - Número de juntas transversales deterioradas por milla o 1.6 km. - Número de fisuras transversales deterioradas por milla o 1.6 km. - Número de juntas de expansión, excepcionalmente juntas anchas (>25 mm) o parches de concreto asfáltico en todo el espesor por milla o 1.6 km. - Presencia y severidad de problemas de durabilidad en el hormigón. o

o

Fisuras de durabilidad: baja severidad (fisuras solamente) severidad media (algo de descascaramiento), alta severidad (descascaramiento severo). Fisuras por áridos reactivos: baja, media y alta severidad.

- Evidencia de escalonamiento o bombeo de finos o agua. Para el caso de pavimentos de hormigón con refuerzo continuo se debe cuantificar: - Número de punzonamientos por milla o 1.6 km. - Número de fisuras transversales deterioradas por milla o 1.6 km. - Número de juntas de expansión, excepcionalmente juntas anchas (>25 mm) o parches de concreto asfáltico en todo el espesor, por milla o 1.6 km. - Número de reparaciones existentes y nuevas previas a la sobrecarpeta, por milla o 1.6 km - Presencia y severidad de problemas de durabilidad. Idem caso anterior. - Evidencia de bombeo de finos y agua.

7.6.4. Ensayos de deflexión (Paso 4) Es muy conveniente realizar el ensayo de deflexión para analizar el pavimento existente, especialmente para carreteras del alto volumen de tráfico. Las zonas a analizar generalmente están separadas entre 30 y 300 m (100 - 1000 pies). Las deflexiones se miden con sensores ubicados a 0, 12, 24 y 36 pulg (0, 30, 60 y 90 cm) del centro del plato de carga. La carga recomendada es de 40 KN (9,000 lb). Para cada losa ensayada, el módulo k efectivo y el módulo de la losa se determinan de las figuras 7.1 y 7.2 respectivamente. Estas figuras se utilizan para deflexiones con carga normalizada de 40 KN y plato de carga con radio de 150 mm (5. 9 pulg). Sobrecarpeta de Hormigón Adherida a Pavimento existente de Hormigón

107


El área de cada deflexión se calcula con la siguiente ecuación cuyos valores varían entre 740 a 810 mm (29 a 32 pulg) para un hormigón íntegro.



 d 12   d   d    + 2  24  +  36    d 0   d 0   d 0  

AREA = 6 x  1 + 2 



(7.2)

donde: d0 = deflexión en el centro del plato de carga (pulg o mm) di = deflexiones a 12, 24 y 36 pulg del centro (pulg o mm) 7.6.4.1 Módulo k dinámico efectivo Para un plato de carga de 150 mm y una magnitud de carga de 40 KN, la figura 5.2 puede ser usada entrando con d0 y AREA para determinar el k efectivo dinámico debajo de cada losa. Para cargas dentro de los 9 KN (2,000 lb), las deflexiones pueden ser proyectadas linealmente a 40 KN. Si una sobrecarpeta simple es designada para una sección uniforme, computar el módulo k dinámico efectivo de las losas ensayadas en la sección uniforme.

(27)

(14) (40 KN)

(kPa/mm)

(150 mm)

(41)

(54) (68) (81)

(135) (270)

(585)

660

(740)

810

890 mm



108


7.6.4.2 Módulo k estático efectivo Una vez obtenido el valor de k dinámico efectivo se lo debe transformar a uno estático. Esto se hace dividiendo el valor de k dinámico por 2. De todas maneras, cambios en el módulo k llevan a pequeñas diferencias en el espesor de la sobrecarpeta k efectivo estático =

k efectivo dinámico

(7.3)

2

Este módulo k estático debe ser ajustado ajustado por efectos estacionales. 7.6.4.3 Módulo elástico del hormigón Para obtener el módulo elástico de la losa de hormigón se entra en fig. 7.2 con AREA, se levanta una vertical hasta la curva del valor dinámico de k y luego se sigue con una horizontal hasta el eje de ordenadas para determinar ED 3. Conociendo el espesor D de la losa, se puede conocer el módulo elástico E. Los valores típicos de E varían entre 3 a 8 x 10 6 psi (20,000 a 60,000 MPa).

(150 mm)

(270) (135) (80) (54) (27) (14 kPa) (585)

660 660

(740) (740)

(810)

(890) (mm)

Fig. 7.2. Módulo elástico del hormigón en función de k, AREA y espesor losa


109


Si el valor de E obtenido está fuera de este rango, puede haber un error en el espesor asumido, o bien se midió la deflexión sobre una fisura, o el hormigón se encuentra muy deteriorado. Los valores de k y E que estén fuera de rango no deben utilizarse. 7.6.4.4 Transferencia de cargas. Este tipo de mediciones se hace para pavimentos de hormigón simple o de hormigón armado con juntas, ubicando al equipo en la huella externa y en juntas transversales representativas. La transferencia de cargas no debe medirse cuando la temperatura ambiente sea mayor de 27°C, ubicando la placa de carga con uno de sus bordes aledaños a la junta. Se mide la deflexión en el centro de la carga y a 12 pulg (30 cm) del centro atravesando la junta. El porcentaje de transferencia de cargas por deflexión es:

 Δ ul   x B Δ l  

Δ LT = 100 x 

(7.4)

donde: ∆ ul ul = ∆ l =



B = factor correctivo por flexión de losa Se aplica el factor correctivo B porque las deflexiones d 0 y d12 no serian las mismas que se medirían en el centro de la losa. B puede determinarse así: B=

d 0 centro

(7.5)

d 12 centro

B varía entre 1,05 y 1,15. En base al porcentaje de transferencia de cargas puede determinarse el coeficiente de transferencia de cargas (Tabla 7.2). Tabla 7.2

Porcentaje de transferencia de cargas > 70 50 – 70 < 50


Para pavimentos con refuerzo continuo, J varía entre 2,2 y 2,6.


110


7.6.5. Muestreo y ensayo de materiales (Paso 5) 5) 7.6.5.1 Módulo de ruptura Para la determinación del módulo de rotura S C’ del hormigón se deben extraer núcleos de 150 mm (6 pulg) de diámetro del centro de la losa y hacer un ensayo de tracción indirecta. El módulo de rotura se puede estimar usando la siguiente ecuación (Foxworthy 1985) SC’ = 210 + 1,02 IT

(7.6.a)


(7.6.b)


7.6.6. Determinación del espesor requerido de losa para el tránsito futuro, Df (Paso 6) Los datos para determinar D f deben deben representar al pavimento existente y a las propiedades de la fundación. Es importante tener en cuenta que las propiedades del pavimento rígido existente (módulo elástico, módulo de rotura y transferencia de cargas) controlan el comportamiento de la sobrecarpeta de hormigón adherida. El cálculo se lo realiza con las consideraciones para pavimento rígido nuevo. Se proveen los valores tipo, valores fuera de estos rangos deben utilizarse con precaución. 7.6.6.1 Módulo k estático efectivo El módulo k estático efectivo e fectivo debajo del pavimento rígido existente se puede determinar por alguno de estos métodos: - Cálculo del k efectivo dinámico a partir de medidas de cuencos de deflexión. Dividiendo el valor obtenido por 2 se obtiene el k efectivo estático. Cuando sea necesario, este módulo k efectivo debe ser corregido por efectos estacionales. - Determinación del módulo k por el ensayo de placa luego de la remoción de la losa en determinados sitios. Esta alternativa es muy costosa e insume mucho tiempo, por lo que se la usa muy poco. - Estimación a partir de datos de suelos, tipo de base y espesores, usando los gráficos de capítulo 5, gráfica 5.4 Esta alternativa es simple, pero el módulo k obtenido debe considerarse como una estimación preliminar. Sobrecarpeta de Hormigón Adherida a Pavimento existente de Hormigón

111


7.6.6.2 Pérdida de serviciabilidad de diseño. Es la diferencia entre la serviciabilidad inmediatamente después de la sobrecarpeta y la serviciabilidad en el momento de la próxima rehabilitación. 7.6.6.3 Factor de transferencia de cargas J Los conceptos para obtener el coeficiente de transferencia de carga se discuten en el paso 4. Ver tabla 7.2. 7.6.6.4 Módulo de rotura del pavimento existente de hormigón. El módulo de rotura puede ser determinado por alguno de los siguientes métodos: - Estimación a través de la resistencia a la tracción indirecta (Ver paso 5). - Estimación a través del módulo elástico del pavimento existente: SC’ = 43,5 (E/l0 6) + 488,5

(7.7.a)


(7.7.b)

donde: E=módulo elástico del hormigón (kPa) 7.6.6.5 Módulo elástico del pavimento de hormigón existente. El módulo elástico se puede determinar por algunos de los dos siguientes métodos: - Cálculo a partir de medidas de deflexiones (Paso 4) - Estimación a partir de la resistencia a la tracción indirecta. 7.6.6.6 Pérdida de soporte de la losa existente. Las juntas de esquina que pueden tener una pérdida importante de soporte pueden ser identificadas mediante ensayos FWD. Las pérdidas de soporte en pavimentos con refuerzo continuo pueden ser determinadas graficando la deflexión del borde de la losa o de la zona usada por las ruedas de los vehículos e identificando puntos con deflexiones excesivas. Toda falta de soporte debe ser corregida con estabilización de la losa. Para el diseño del espesor de la sobrecarpeta se debe considerar una losa completamente soportada (LS=0).


112


7.6.6.7 Confiabilidad de diseño de la sobrecarpeta R La confiabilidad afecta en gran medida en el espesor de la sobrecarpeta. El diseño debe tomar las consideraciones del diseño de pavimentos nuevos. 7.6.6.8 Desviación standard Las consideraciones de incertidumbre son diferentes para sobrecarpetas y pavimentos rígidos nuevos. Así mismo los valores apropiados varían según el tipo de sobrecarpeta. Se recomienda adoptar para este caso un valor de 0.39, tal como se lo hace para pavimentos rígidos nuevos. 7.6.6.9 Capacidad de subdrenaje de la losa lo sa existente El bombeo o movimientos diferenciales verticales en juntas o fisuras son indicios de que hay problemas de drenaje. Tomar en cuenta que en el AASHO Road Test un C d = 1.0 representa condiciones pobres de drenaje. Bombeo o escalonamiento en fisuras es un reflejo que existen problemas de subdrenaje.

7.6.7. Determinación del espesor efectivo de losa del pavimento existente, Df (Paso 7) La determinación del espesor efectivo del pavimento existente se puede determinar por los dos siguientes métodos: 7.6.7.1 Observación del estado del pavimento existente El espesor efectivo de la losa existente es: Def = F jc x Fdur x Ffat x D

(7.8)

Donde D es el espesor de la losa existente de hormigón y los lo s coeficientes F son factores de ajuste. - Factor de ajuste por juntas y fisuras . Este factor hace un ajuste por una pérdida extra de

serviciabilidad causada por fisuras reflejadas y deterioradas en la sobrecarpeta que son el resultado de juntas o fisuras no reparadas y otros tipos de discontinuidades en el pavimento existente. Una junta deteriorada o una fisura se reflejarán rápidamente en la sobrecarpeta con la consecuente pérdida de serviciabilidad. Es por esto que se recomienda que todas las juntas deterioradas, fisuras y cualquier otro tipo de discontinuidades en la losa existente sean reparadas en todo su espesor tomando las previsiones de vinculación (barras pasajuntas o barras de unión) al pavimento existente. Reparación de todos estos deterioros resultan en un F jc igual a 1.0. Si no es posible reparar todas las áreas deterioradas, el espesor de la sobrecarpeta debe ser incrementado con el objeto de tomar la pérdida de serviciabilidad. Con la siguiente información en pavimentos que no tienen problemas de durabilidad y reacción álcali-agregado se puede determinar F jc - Número de juntas deterioradas no reparadas por milla o 1.6 km. - Número de fisuras deterioradas no reparadas por milla o 1.6 km. - Número de sectores punzonados no reparados por milla o 1.6 km. Sobrecarpeta de Hormigón Adherida a Pavimento existente de Hormigón

113


- Número de juntas de expansión, excepcionalmente juntas anchas (>2,5 mm) y parches de concreto asfáltico en todo el espesor, por milla o 1.6 km. En función del número de juntas deterioradas no reparadas, fisuras, baches, etc., se determina el F jc mediante el gráfico siguiente

(12)

(50)

(90)

(125) (km)



que puede tener el pavimento existente cuando hay fisuras de durabilidad o fallas debidas a reacción álcali-agregado. Los valores a adoptar para F dur son: Fdur = l,00 No hay problemas de durabilidad. Fdur = 0,96-0,99 Hay fisuras de durabilidad, pero sin desportilladuras Fdur = 0,88-0,95 Fisuras importantes y algo de desportilladuras Fdur = 0,80-0,88 Gran extensión de fisuras y desportillamiento severo

- Factor de ajuste por fatiga . Este factor considera un ajuste por daños de fatiga anteriores que

pueden existir en la losa. Se lo determina observando la extensión de fisuras transversales (en pavimentos de hormigón simple o refuerzo discontinuo) o por punzonamientos (hormigón con


114


refuerzo continuo) que pueden haber sido ocasionados preliminarmente por repetición de cargas. Como guía se dan estos valores para el factor de ajuste F fat: 0,97-1,00

Pocas fisuras transversales/existen sectores con punzonamiento (ninguna causada por problemas de durabilidad) H° simple con juntas: H° reforzado con juntas: H° con refuerzo continuo:

0,94-0,96

Se presenta un número significativo de fisuras transversales/existen sectores con punzonamiento (ninguna causada por problemas de durabilidad) d urabilidad) H° simple con juntas: H° reforzado con juntas: H° con refuerzo continuo:

0,90-0,93

< 5% de losas fisuradas < 25 de fisuras de trabajo por milla < 4 sectores punzonados por milla

5 – 15% de losas fisuradas 25 – 75 de fisuras de trabajo por milla 4 – 12 sectores punzonados por milla

Muchas fisuras transversales/existen sectores con punzonamiento (ninguna causada por problemas de durabilidad) H° simple con juntas: H° reforzado con juntas: H° con refuerzo continuo:

> 15% de losas fisuradas > 75 de fisuras de trabajo por milla > 12 sectores punzonados por milla

7.6.7.2 Método vida remanente La vida remanente del pavimento responde a esta ecuación:

  N p   RL = 100  1      N1.5  

(7.9)

Np = número de ESALs hasta la fecha N1,5 = Número de ESALs para llevar el pavimento a la rotura N1,5 se puede obtener a partir de la ecuación de diseño o mediante ábacos, suponiendo una serviciabilidad final p t = l,5 y una confiabilidad R=50%. Def se se determina con la ecuación: Def = CF x D

(7.10)


7.6.8. Determinación del espesor de sobrecarpeta (Paso 8) Se emplea la ecuación: Dol = Df - Def


(7.11) 115


Dol = Espesor requerido de la sobrecarpeta de concreto asfáltico Df = = Espesor requerido de losa para soportar el tráfico futuro Def = = Espesor efectivo de la losa existente

7.7. Bermas El sobreencarpetado de carriles de tráfico generalmente requiere que se coloque sobrecarpetas sobre las bermas y que éstas queden al mismo nivel del pavimento nuevo. El proyectista debe considerar la extensión del deterioro en la berma existente y la cantidad de tráfico que usará la berma. Si una berma existente está en buenas condiciones, cualquier sector deteriorado debe ser reparado. Si está en condiciones pobres, la reparación no es económica, siendo lo recomendable su remoción y reemplazo.

7.8. Juntas Para el caso de pavimentos existentes de hormigón simple con juntas y hormigón reforzado con juntas, se deben aserrar juntas longitudinales y transversales en el espesor de la sobrecarpeta de hormigón (0,5 pulg (1,3 cm) en profundidad), tan pronto como el curado lo permita. Fallas en el aserrado de juntas tan pronto después del colocado pueden resultar en pérdida de adherencia y fisuras en juntas. Las juntas transversales en la sobrecarpeta, incluyendo la berma, deben ajustarse a las juntas y bermas en la losa original dentro de más o menos una pulgada (25 mm) en cada dirección para prevenir fisuras secundarias. En estas juntas no deben colocarse pasadores ni barras de unión. Debe aserrarse también un reservorio apropiado para el material sellante. Este material debe colocarse tan pronto como sea posible. Para el caso de pavimentos existentes de hormigón con refuerzo continuo, no es necesario hacer juntas transversales en la sobrecarpeta de hormigón. Las juntas transversales tampoco son necesarias para las juntas finales o de tope para parches de hormigón armado. En cuanto a las juntas longitudinales vale lo dicho para pavimentos de hormigón simple con juntas o reforzado con juntas.

7.9. Procedimientos de adherencia y materiales El desempeño exitoso de una sobrecarpeta adherida depende de la adherencia con la superficie existente. Las siguientes guías se recomiendan: - La superficie existente debe ser lavada y sometida a un proceso de aumento de rugosidad tal que remueva una fina capa de hormigón, pero que no fisure la superficie. Se recomienda el uso de chorro de arena para remover las partículas sueltas. - Se recomienda el uso de un agente adherente para lograr una mejor ligazón con la superficie antigua. Para ello se puede usar un mortero de cemento, una lechada de cemento o una resina epoxy de baja viscosidad. En algunos casos, la construcción de sobrecarpetas adheridas sin ningún agente de adherencia ha producido buenos resultados.

7.10. Ensanchamiento El ensanchamiento requiere que se coordine entre el diseño de la nueva sección y la sobrecarpeta. Ambos, el pavimento existente y la parte a ser ensanchada deben proveer superficies que sean funcionalmente adecuadas así como secciones estructuralmente resistentes. Sobrecarpeta de Hormigón Adherida a Pavimento existente de Hormigón

116


7.11. Ejemplos de diseño Problema 1 Un pavimento rígido de 230 mm (9 pulg) está siendo rehabilitado usando una sobrecarpeta de hormigón adherida. El tráfico que se estima solicitará al nuevo pavimento es de 25.5 millones de ESALs de pavimento rígido. El pavimento existente tiene bermas de asfalto y no dispone de dispositivos de transferencia de carga en las juntas transversales. El drenaje es regular con niveles de humedad llegan a la saturación aproximadamente el 5% del tiempo. En la inspección de campo se ha verificado que menos del 5% de las losas están fisuradas y que existe un 15% de juntas deterioradas por 1.6 km (1 milla). No existe evidencia de deterioro por fisuras en D. El ensayo de deflexión ha provisto de los siguientes resultados en la resistencia del hormigón y el soporte de la subrasante: -

Módulo de ruptura del hormigón = 5,800 kPa (850 psi) Módulo elástico del hormigón = 43 GPa (6,300,000 (6,300,00 0 psi) Módulo k estático efectivo = 110 kpa/mm (400 lb/pulg2/pulg)

Con esta información, determinar el espesor requerido de sobrecarpeta de hormigón adherido. Solución. De acuerdo a los datos de drenaje se obtiene un coeficiente de 1.0. El factor J para hormigón simple con juntas y bermas de asfalto sin barras de transferencia es 4.0. Con estos datos y los anteriormente indicados se obtiene un D f de de 305 mm (12 pulg). Posteriormente se determina D ef que que representa el espesor efectivo del pavimento actual. Este da 220 mm (8.5 pulg) usando el método del factor de condición. Utilizando la ecuación 7.10 finalmente se obtiene un espesor de sobrecarpeta adherida de 90 mm (3,5 pulg). Que sucede con el espesor si en vez de tener una serviciabilidad final de 2.5 se solicita una de 3.0?

Cambiando la serviciabilidad final a 3.0 la pérdida de serviciabilidad será de 1.5, lo que incrementará el espesor de D f en en aproximadamente 13 mm (0.5 pulg). Un incremento equivalente en el espesor de sobrecarpeta adherida se requerirá, resultando un valor final de 100 mm (4 pulg). Problema 2 Un pavimento con refuerzo y juntas de 250 mm (10 pulg) está siendo rehabilitado con una sobrecarpeta de hormigón adherida. Las condiciones de drenaje son pobres, con menos del 5% del tiempo cerca a la saturación. Información sobre las propiedades de los materiales del pavimento incluyen lo siguiente: -

Módulo de ruptura del hormigón = 5.0 MPa (730 psi) Módulo elástico del hormigón existente = 39 GPa (5,600,000 psi) Módulo efectivo de reacción de la subrasante = 26 kPa/mm (95 lb/pulg2/pulg)

Los ESALs pasados se estiman en 25 millones y unos 10 millones adicionales se espera que solicitarán al pavimento durante la vida útil de la sobrecarpeta. La sección tiene berma de asfalto y juntas transversales con barras pasajuntas que están proporcionando una buena transferencia de carga. Usando el método de vida remante en el software DIPAV 2.0, determinar el espesor requerido de sobrecarpeta de hormigón adherida.


117


Solución Según las condiciones de drenaje se obtiene un coeficiente de 1.0. De acuerdo a la información proporcionada el factor J es de 3.5. Haciendo correr el software DIPAV 2.0 se obtiene un D f de de 280 mm (10.9 pulg) (ver figura 7.4). El número de ESALs para una serviciabilidad final de 1.5 es aproximadamente 32 millones. El D ef es es 190 mm (7.5 pulg) (ver figura 7.5). El espesor requerido de sobrecarpeta es de 86 mm (3.4 pulg) (ver figura 7.6)

Figura 7.4 Determinación del espesor para tráfico futuro

Figura 7.5 Determinación del espesor efectivo del pavimento existente


118


Figura 7.6 Determinación del e spesor de la sobrecarpeta adherida


119



_________________ ________________________ _______________ ________________ ________________ _______________ ________________ _________________ ________________ ______________ ______

LOSA: Espesor losa existente

= _____________________ pulg (mm)

Tipo de transferencia de carga: disp. mecánico, transf. agregados, refuerzo continuo Tipo de berma = atada, otra Módulo de ruptura del hormigón (típicamente 600 a 800 lbf/pulg 2)

= _____________________ psi (kPa)

Módulo elástico del hormigón (3 a 8 millones lbf/pulg 2 para H° íntegro, < 3 millones para H° deteriorado)

= _____________________ psi (kPa)

Factor de transferencia de carga, J (3.2 a 4.0 para JPCP y JRCP, 2.2 a 2.6 para CRCP)

= _____________________

TRAFICO: ESALs futuros de 80-kN (18-kip) en el carril de diseño sobre el periodo de diseño (N f )

= _____________________

SOPORTE Y DRENAJE: k dinámico efectivo

=__________________ pci (kPa/mm)

k estático efectivo = k dinámico efectivo / 2 (típicam. entre 50 y 500 lbf/pulg 2 /pulg)

=__________________ pci (kPa/mm)

Coeficiente de drenaje, C d (típicamente 1.0 para condiciones pobres de drenaje)

= _____________________

PERDIDA DE SERVICIABILIDAD: Pérdida de serviciabilidad de diseño (P 1 - P2)

= _____________________


=_____________________ %

Desviación standard global, S o (típicamente 0.39)

= _____________________

CAPACIDAD ESTRUCTURAL FUTURA: El espesor de losa requerido para tráfico futuro es determinado con los conceptos de pavimento nuevo. Df = = __________________ pulg (mm)


120



________________ ________________________ ________________ ________________ ________________ ________________ _________________ ________________ _______________ ______________ ______

Método del factor de condición: F jc


= ______________________ ____________________ __ = ______________________ ____________________ __ = ______________________ ____________________ __ = ______________________ ____________________ __ = ______________________ ____________________ __

F jc = _________________ (Figura 7.3) (Valor recomendado 1.0, reparar todas las áreas deterioradas) Fdur

1.00: 0.96-0.99: 0.88-0.95: 0.80-0.88:

No existen señales de de problemas de durabilidad durabilidad Algunos problemas problemas de de durabilidad, durabilidad, pero no desportilladuras desportilladuras Varias fisuras y algo de desportilladuras Muchas fisuras y desportilladuras

Fdur = ________________ Ffat

1.00: No existe deterioro en el asfalto 0.96-0.99: Deterioros menores menores que no se corrigen con fresado (por ej. descascaramiento) descascaramiento) 0.88-0.95: Deterioro significativo del material de asfalto (ahuellamiento, disgregación, desplazamiento) 0.80-0.88: Deterioro severo del del asfalto (ahuellamiento, disgregación, desplazamiento) desplazamiento) Ffat = ________________

Def = F jc x Fdur x Ffat x D = ________________

Método de Vida Remanente: Np = ESALs pasados en el carril de diseño

= ________________


= ________________

  N p   RL = 100 1    = ________________ N 1.5    

CF = ___________________ Def = CF x D = ___________________

Dol = A (Df - Def ) = ___________________


121


CAPITULO 8 SOBRECARPETA DE HORMIGÓN NO ADHERIDA A PAVIMENTO EXISTENTE DE HORMIGÓN 8.1. Introducción Consisten en sobrecarpetas de hormigón simple con juntas, hormigón reforzado con juntas u hormigón continuamente reforzado que se colocan sin adherir sobre pavimentos existentes de hormigón para mejorar su capacidad estructural y condiciones funcionales. La construcción de este tipo de sobrecarpetas implica la ejecución de las siguientes tareas: - Reparación de zonas muy deterioradas y mejoras de las condiciones de drenaje, si fuera necesario. - Ensanche de carriles o construcción de nuevos, si fuera necesario. - Colocación de una capa separadora, que sirve también como capa de nivelación. - Colocación de la sobrecarpeta de hormigón. - Aserrado y sellado de juntas.

8.2. Factibilidad La alternativa de sobrecarpeta de hormigón no adherida es factible para todos los pavimentos de hormigón. Es más efectiva, desde el punto de vista de los costos, cuando el pavimento existente está muy deteriorado ya que hay una menor necesidad de reparaciones previas. Los casos en que esta solución no es factible son: - Los deterioros en losas y desportillamientos en juntas son poco importantes y entonces aparecen otras alternativas como más económicas. - El gálibo bajo puentes p uentes quedaría reducido por la sobrecarpeta. - El pavimento existente es susceptible de sufrir grandes hinchamientos y asentamientos. Si la duración de la construcción es crítica, deben emplearse hormigones de alta resistencia inicial. En estos casos se han habilitado sobrecarpetas dentro de las 6 y 24 horas después del vaciado del hormigón.

8.3. Reparaciones previas a la sobrecarpeta Una de las grandes ventajas de la sobrecarpeta de hormigón no adherida es que las operaciones de reparación previas son muy reducidas. Sin embargo, este tipo de sobrecarpeta se supone que no deben hacer de “puentes” en áreas localizadas de soporte no uniforme. Algunos tipos de deterioros deben repararse antes de la sobrecarpeta para prevenir la reflexión de fisuras que podrían reducir la vida útil. Sobrecarpeta de Hormigón No Adherida a Pavimento existente de Hormigón

122


Para pavimentos rígidos de hormigón simple con juntas y reforzado con juntas, los tipos de deterioro y su correspondiente reparación corresponden a: -

Punzonamientos – reparación en espesor total

-

Bombeo de finos – drenes de borde, si fuera necesario

-

Juntas desportilladas – reparación en espesor total de los sectores muy deteriorados

-

Asentamientos – nivelación con concreto asfáltico

Para pavimentos continuamente reforzados: -

Fisuras de trabajo – reparación en espesor total con colocación de dispositivos de transferencia si la deflexión es significativa

-

Punzonamientos – reparación en espesor total

-

Bombeo de finos – drenes de borde, si fuera necesario

-

Asentamientos – nivelación con concreto asfáltico asfáltico

En casos de pavimentos existentes muy dañados, se puede proceder a la rotura/asentamiento, fractura/asentamiento o demolido/compactado, previamente a la colocación de la capa de separación.

8.4. Control de reflexión de fisuras Cuando la capa separadora de concreto asfáltico tiene entre 25 y 50 mm no hay problemas de reflexión de fisuras. Sin embargo, habría problemas si el pavimento existente tuviera una transferencia de cargas muy pobre y deflexiones deflexio nes diferenciales en juntas correspondientes.

8.5 Subdrenaje Las condiciones del subdrenaje de un pavimento existente usualmente tienen gran influencia en el desempeño de la sobrecarpeta. Realizando la mejora de un subdrenaje pobre se afecta positivamente en el desempeño de la sobrecarpeta. La remoción del exceso de agua de la sección reduce la erosión e incrementa la resistencia de la base y subrasante, lo que al mismo tiempo reduce las deflexiones.

8.6 Diseño de espesores El espesor de la sobrecarpeta de hormigón no adherido es una función de la capacidad estructural requerida para satisfacer las condiciones de tránsito futuro fu turo y la capacidad estructural del pavimento existente. Los valores de D ol varían entre 5 y 12 pulg (12,5 a 30 cm) o más. Los valores más corrientes de D ol están entre 7 y 10 pulg (18 a 25 cm). Para determinar el espesor de sobrecarpeta necesaria, D ol, se deben seguir los pasos que se indican en los apartados siguientes. Si no es posible hacer ensayos en el campo o en laboratorio se pueden obviar los pasos 4 y 5 y estimar otros datos de entrada. se determina con esta ecuación:

Sobrecarpeta de Hormigón No Adherida a Pavimento existente de Hormigón

123


Dol = (Df 2 - Def 2)0,5

(8.1)

donde: D f = espesor de losa necesario para soportar el tránsito futuro D ef ef = espesor efectivo de la losa existente

8.6.1. Diseño del pavimento existente (Paso 1) La siguiente información del pavimento existente es requerida para el diseño de una sobrecarpeta de hormigón no adherida: - Espesor de losa existente. - Tipo de transferencia de carga (dispositivos mecánicos, trabazón entre agregados, hormigón continuamente reforzado). - Tipo de berma (atada, de asfalto, etc)

8.6.2. Análisis de tránsito (Paso 2) En el proceso de diseño de sobrecarpetas no adheridas de hormigón sobre pavimentos rígidos antiguos, se requiere un análisis de tráfico para determinar: - Número de ESALs acumulados en el carril de diseño (N p) para usarlo en el método de vida remanente para determinar D ef - Número de ESALs futuros previstos en el carril de diseño para el período de diseño (N f ). ). Los ESALs deben ser computados usando los factores de pavimentos rígidos.

8.6.3. Observación del estado del pavimento existente (Paso 3) Una inspección de la condición involucra la determinación del tipo, cantidad y severidad de los deterioros en el pavimento existente. Es conveniente realizar extracción de núcleos para una cuantificación más adecuada. Para el caso de pavimentos de hormigón simple con juntas u hormigón reforzado con juntas se debe cuantificar: - Número de juntas transversales deterioradas por milla o 1.6 km. - Número de fisuras transversales deterioradas por milla o 1.6 km. - Número de juntas de expansión, excepcionalmente juntas anchas (>25 mm) o parches de concreto asfáltico en todo el espesor por milla o 1.6 km. - Presencia y severidad de problemas de durabilidad en el hormigón.


124


o

o

Fisuras de durabilidad: baja severidad (fisuras solamente) severidad media (algo de descascaramiento), alta severidad (descascaramiento severo). Fisuras por áridos reactivos: baja, media y alta severidad.

- Evidencia de escalonamiento o bombeo de finos o agua en las fisuras o bordes del pavimento Para el caso de pavimentos de hormigón con refuerzo continuo se debe cuantificar: - Número de punzonamientos por milla o 1.6 km. - Número de fisuras transversales deterioradas por milla o 1.6 km. - Número de juntas de expansión, excepcionalmente juntas anchas (>25 mm) o parches de concreto asfáltico en todo el espesor, por milla o 1.6 km. - Número de reparaciones existentes y nuevas previas a la sobrecarpeta, por milla o 1.6 km - Presencia y severidad de problemas de durabilidad. Idem caso anterior. - Evidencia de bombeo de finos y agua.

8.6.4 Ensayos de deflexión (Paso 4) Es muy conveniente realizar el ensayo de deflexión para analizar el pavimento existente, especialmente para carreteras del alto volumen de tráfico. Las zonas a analizar generalmente están separadas entre 30 y 300 m (100 - 1000 pies). Las deflexiones se miden con sensores ubicados a 0, 12, 24 y 36 pulg (0, 30, 60 y 90 cm) del centro del plato de carga. La carga recomendada es de 40 KN (9,000 lb). Para cada losa ensayada, el módulo k efectivo y el módulo de la losa se determinan de las figuras 8.1 y 8.2 respectivamente. Estas figuras se utilizan para deflexiones con carga normalizada de 40 KN y plato de carga con radio de 150 mm (5. 9 pulg). El área de cada deflexión se calcula con la siguiente ecuación cuyos valores varían entre 740 a 810 mm (29 a 32 pulg) para un hormigón íntegro.



 d 12   d   d    + 2  24  +  36    d 0   d 0   d 0  

AREA = 6 x  1 + 2 



(8.2)

donde: d0 = deflexión en el centro del plato de carga (pulg o mm) di = deflexiones a 12, 24 y 36 pulg del centro (pulg o mm) 8.6.4.1 Módulo k dinámico efectivo Para un plato de carga de 150 mm y una magnitud de carga de 40 KN, la figura 8.1 puede ser usada entrando con d0 y AREA para determinar el k efectivo dinámico debajo de cada losa. Para cargas dentro de los 9 KN (2,000 lb), las deflexiones pueden ser proyectadas linealmente a 40 KN. Sobrecarpeta de Hormigón No Adherida a Pavimento existente de Hormigón

125


Si una sobrecarpeta simple se diseña para una sección uniforme, computar el módulo k dinámico efectivo de las losas ensayadas en la sección uniforme.

(27)

(14) (40 KN)

(kPa/mm)

(150 mm)

(41)

(54) (68) (81)

(135) (270)

(585)

(740)

(660)

(810)

(890) (mm)


8.6.4.2 Módulo k estático efectivo Una vez obtenido el valor de k dinámico efectivo se lo debe transformar a uno estático. Esto se hace dividiendo el valor de k dinámico por 2. De todas maneras, cambios en el módulo k llevan a pequeñas diferencias en el espesor de la sobrecarpeta k efectivo estático =


(8.3)

Este módulo k estático debe ser ajustado ajustado por efectos estacionales.

8.6.5. Muestreo y ensayo de materiales (Paso 5) 5) Cuando se proyecta una sobrecarpeta de hormigón no adherida sobre un pavimento existente de hormigón no es necesario hacer toma de muestras ni ensayos de laboratorio. Cuando se desea hacer una sobrecarpeta no adherida de hormigón sobre un pavimento existente de concreto asfáltico sobre hormigón, ver el capítulo 6 para la determinación del módulo de concreto asfáltico.


126


8.6.6. Determinación del espesor requerido de losa para el tránsito futuro, Df (Paso 6) Es importante tener en cuenta que las propiedades de la sobrecarpeta de hormigón (módulo elástico, módulo de rotura y transferencia de cargas) controlan el comportamiento del nuevo pavimento a construirse. El cálculo se lo realiza con las consideraciones para pavimento rígido nuevo. Se proveen los valores tipo, valores fuera de estos rangos deben utilizarse con precaución. 8.6.6.1 Módulo k estático efectivo El módulo k estático efectivo e fectivo debajo del pavimento rígido existente se puede determinar por alguno de estos métodos: - Cálculo del k efectivo dinámico a partir de medidas de cuencos de deflexión. Dividiendo el valor obtenido por 2 se obtiene el k efectivo estático. Cuando sea necesario, este módulo k efectivo debe ser corregido por efectos estacionales. - Determinación del módulo k por el ensayo de placa luego de la remoción de la losa en determinados sitios. Esta alternativa es muy costosa e insume mucho tiempo, por lo que se la usa muy poco. - Estimación a partir de datos de suelos, tipo de base y espesores, usando los gráficos de capítulo 5, gráfica 5.4. Esta alternativa es simple, pero el módulo k obtenido debe considerarse como una estimación preliminar. 8.6.6.2 Pérdida de serviciabilidad de diseño. Es la diferencia entre la serviciabilidad inmediatamente después de la sobrecarpeta y la serviciabilidad en el momento de la próxima rehabilitación. 8.6.6.3 Factor de transferencia de cargas J El factor de transferencia de carga considera la habilidad del pavimento para transferir ésta a través de juntas y fisuras. Ver capítulo 5, tabla 5.2. 8.6.6.4 Módulo de rotura de la sobrecarpeta no adherida. El módulo de rotura puede ser determinado por alguno de los siguientes métodos: - Estimación a través de la resistencia a la tracción indirecta - Estimación a través del módulo elástico del pavimento existente: SC’ = 43,5 (E/l0 6) + 488,5

(8.4.a)

donde: E = módulo elástico del hormigón (psi) En unidades métricas:


127


SC’= 43,5 (E/106) + 3370

(8.4.b)

donde: E=módulo elástico del hormigón (kPa) 8.6.6.5 Módulo elástico de la sobrecarpeta no adherida. El módulo elástico se puede determinar por algunos de los dos siguientes métodos: - Cálculo a partir de medidas de deflexiones (Paso 4) - Estimación a partir de la resistencia a la tracción indirecta. 8.6.6.6 Pérdida de soporte de la losa existente. La pérdida de soporte toma en cuenta la falla de soporte por erosión y movimientos verticales de la subbase y subrasante. Para el diseño del espesor de la sobrecarpeta se debe considerar una losa completamente apoyada (LS=0). 8.6.6.7 Confiabilidad de diseño de la sobrecarpeta R La confiabilidad afecta en gran medida en el espesor de la sobrecarpeta. El diseño debe tomar las consideraciones del diseño de pavimentos nuevos. 8.6.6.8 Desviación standard Las consideraciones de incertidumbre son diferentes para sobrecarpetas y pavimentos rígidos nuevos. Así mismo los valores apropiados varían según el tipo de sobrecarpeta. Se recomienda adoptar para este caso un valor de 0.39, tal como se hace para pavimentos rígidos nuevos. 8.6.6.9 Capacidad de subdrenaje de la losa existente El bombeo o movimientos diferenciales verticales en juntas o fisuras son indicios de que hay problemas de drenaje. Tomar en cuenta que en el AASHO Road Test un C d = 1.0 representa condiciones pobres de drenaje. La presencia de bombeo o escalonamiento en fisuras es un reflejo de que existen problemas de subdrenaje.

8.6.7. Determinación del espesor efectivo de losa de pavimento existente, Def (Paso 7) El espesor efectivo de la losa del pavimento existente (D ef) puede ser determinado usando el método del factor de condición o el de vida remanente. 8.6.7.1 Observación del estado del pavimento existente. Usando el método del factor de condición, D ef de la losa existente para pavimento de hormigón con juntas o uno que haya recibido una sobrecarpeta de asfalto previamente, se determina con esta expresión: Def = F jcu D


(8.5)

128


donde: D = espesor de la losa existente de hormigón. D debe ser menor de 25 cm (10 pulgadas), si es mayor se debe usar 25 cm. F jcu = factor de ajuste por juntas y fisuras. Este es un factor válido para sobrecarpetas no adheridas de hormigón. Si se trata de un pavimento existente de concreto asfáltico sobre hormigón al que se le quiere hacer una sobrecarepta no adherida de hormigón, se desprecia el espesor de la capa de concreto asfáltico en la determinación de D ef Los ensayos de campo realizados con sobrecarpetas no adheridas de hormigón mostraron muy poca evidencia de reflexión de fisuras o juntas. Es por eso que no se usan en estos casos los factores de ajuste F dur y Ffat. El F jcu se modifica para mostrar un efecto reducido de fisuras deterioradas y juntas de la losa existente. Para determinar F jcu se debe ajustar para pérdida extra de serviciabilidad ocasionada por el deterioro en la reflexión de fisuras que q ue resultan de juntas deterioradas no reparadas, fisuras y otras discontinuidades. Para lograr esto se debe conocer: - Número de juntas deterioradas no reparadas, por milla o Km. - Número de fisuras deterioradas no reparadas, por milla o Km. - Número de juntas de expansión, excepcionalmente juntas anchas (>25 mm) y parches de concreto asfáltico en todo el espesor, por milla o Km. Cuando se coloca un espesor suficiente de concreto asfáltico entre un pavimento existente de hormigón muy deteriorado por debajo de la sobrecarpeta de hormigón, se eliminan todos los problemas de reflexión y F jcu =1,0.


129


(50)

(12)

(85)

(125) (km)

Fig. 8.2. Factor de Ajuste F jcu

8.6.7.2 Método vida remanente. La vida remanente del pavimento responde a esta ecuación:

  N p   RL = 100  1    N 1.5    

(8.6)

Np = número de ESALs hasta la fecha N1,5 = Número de ESALs para llevar el pavimento a la rotura N1,5 se puede obtener a partir de la ecuación de diseño o mediante ábacos, suponiendo una serviciabilidad final p t = l,5 y una confiabilidad R=50%. Def se se determina con la ecuación: Def = CF x D

(8.7)


130



8.6.8. Determinación del espesor de la sobrecarpeta (Paso 8) 8) El espesor de sobrecarpeta no adherida de hormigón se calcula con la siguiente ecuación. Dol = (Df 2 - Def 2)0,5

(8.8)

Dol = Espesor requerido de la sobrecarpeta de hormigón no adherida Df = = Espesor requerido de losa para soportar el tráfico futuro Def = = Espesor efectivo de la losa existente


8.8. Juntas Las juntas transversales y longitudinales deben ser ejecutadas de la misma manera que para un pavimento nuevo, excepto en lo concerniente al espaciamiento de juntas para sobrecarpetas no adheridas de hormigón simple. Debido a la alta rigidez del soporte debajo de la losa con sobrecarpeta, se aconseja limitar el espaciamiento entre juntas para controlar las tensiones de pandeo por gradiente térmico, con una máxima separación entre juntas (pies) = 1 ,75 espesor losa (pulg)

8.9. Refuerzo Las sobrecarpetas no adheridas sobre pavimentos de hormigón reforzado con juntas y hormigón continuamente reforzado deben tener armadura para mantener unidas las fisuras que se pueden producir. Para su diseño vale lo ya dicho para pavimentos nuevos, excepto que el factor de fricción a considerar es más alto (entre 2 a 4) debido a la adherencia entre el concreto asfáltico de la capa de separación y la sobrecarpeta de hormigón.

8.10. Capa de separación La función de la capa de separación es aislar la sobrecarpeta de las fisuras y otros deterioros de la losa existente. La capa separadora más común y más exitosa es la de concreto asfáltico de 25 mm (1 pulg) de espesor. Esta capa sirve también como niveladora de la superficie existente. Algunas capas delgadas usadas como rompedoras de adherencia no han dado buen resultado. Otras capas delgadas sí han trabajado adecuadamente, como ser tratamientos superficiales, sellados slurry y arena-asfalto, siempre y cuando el pavimento existente no tenga muchos desplazamientos verticales diferenciales y losas rotas. Para caminos de tránsito intenso se debe


131


considerar el problema potencial de erosión de la capa separadora. Un tratamiento superficial delgado se erosionará más fácilmente que un concreto asfáltico. Una solución interesante es usar como capa separadora una capa permeable de granulometría abierta que servirá como sistema de drenaje para captar las aguas. Este tipo de capa proveerá un excelente control de reflexión de fisuras, así como prevención de bombeo y erosión de la capa separadora.

8.11. Ensanchamiento El ensanchamiento requiere que se coordine entre el diseño de la nueva sección y la sobrecarpeta. Ambos, el pavimento existente y la parte a ser ensanchada deben proveer superficies que sean funcionalmente adecuadas así como secciones estructuralmente resistentes.

8.12. Ejemplos de diseño Problema 1 Una sobrecarpeta no adherida de hormigón simple con juntas está siendo diseñada para una carretera interurbana. Esta debe ir colocada sobre un pavimento antiguo de 200 mm (8 pulg) de hormigón continuamente reforzado que tiene bermas de hormigón atadas. El pavimento existente ha soportado el paso de 15 millones de ESALs de pavimento rígido y se espera que la nueva sobrecarpeta lo haga en 57 millones dentro de los 25 años del periodo de análisis. Una inspección de la condición indica que existen 50 fisuras transversales deterioradas por 1.6 km (1 milla). El ensayo con FWD ha producido una deflexión de 205 µm (0.00808 pulg) en el centro del plato de carga de 40 kN (9,000 lb) y deflexiones de 183, 151, y 119 µm (0.00719, 0.00594 y 0.00467 pulg) a 305, 610 y 914 mm (12, 24 y 36 pulg) desde el centro de carga, respectivamente. Determinar el espesor requerido de sobrecarpeta no adherida usando el método del factor de condición y vida remanente. Solución El AREA se determina en 736 mm (28.97 pulg) usando los datos del FWD. Este valor, junto con la deflexión en el centro del plato de carga, es usando para determinar el módulo k dinámico efectivo de 40 kPa/mm (160 lb/pulg 2 /pulg). El módulo k estático efectivo es la mitad de este valor, 20 kPa/mm (80 lb/pulg 2 /pulg). Los siguientes datos de entrada para la sobrecarpeta no adherida están basados en la consideración de la importancia funcional de la carretera, el conocimiento sobre los materiales de construcción locales y la experiencia ingenieril: -

Módulo elástico promedio de la sobrecarpeta = 29 GPa (4,200,000 lb/pulg 2) Módulo de ruptura de la sobrecarpeta = 4,800 kPa (700 lb/pulg 2) Servicialibilidad inicial = 4.5 Serviciabilidad final = 2.5 Confiabilidad = 95% Desviación estándar = 0.39 Pérdida de soporte = 0 Coeficiente de transferencia de carga = 3.2 (la sobrecarpeta tiene barras pasajuntas) Coeficiente de drenaje = 1.0

Realizando los cálculos D f es 350 mm (13.8 pulg). El pavimento existente tiene 50 áreas deterioradas por 1.6 km (1 milla), lo que corresponde a un F jcu de 0.96, usando la figura 8.2. Def es es 195 mm (7.7 pulg) de la ecuación 8.7 Usando la ecuación 8.8, el espesor de sobrecarpeta requerida


132


usando el método del factor de condición es 290 mm (11.4 pulg). Una capa de separación de 25 mm (1 pulg) será necesaria colocar antes de la sobrecarpeta. Por el método de vida remanente se requiere calcular los ESALs para una serviciabilidad final de 1.5, lo que para una confiabilidad del 50% da 25 millones de ESALs. El RL es 0.86 y el D ef da 180 mm (6.9 pulg). Estos resultados llevan a un espesor final fi nal de sobrecarpeta de 300 mm (11.9 pulg) Problema 2 Una sobrecarpeta no adherida de hormigón simple con juntas es propuesta para una ruta interestatal sobre un pavimento rígido antiguo simple con juntas de 210 mm (8.2 pulg) que tiene además bermas de asfalto. El pavimento existente ha soportado el paso de 10 millones de ESALs de pavimento rígido y se espera que la nueva solución soporte 11 millones. De la inspección de campo se ha determinado que existen 35 juntas deterioradas, 70 fisuras deterioradas y 112 parches de concreto asfáltico en todo el espesor y el ancho de carril por cada 1.6 km (1 milla). Los resultados del FWD se presentan en la siguiente tabla, usando el DIPAV 2.0 determinar el espesor de sobrecarpeta requerido utilizando los dos métodos de diseño presentados en este capítulo. Tabla 8.1, Resultados del ensayo de FWD

Número de ensayo

Carga en KN (lb)

Do µm (in)

D12 µm (in)

D24 µm (in)

D36 µm (in)

1 2 3 4

40.67 (9144) 40.43 (9088) 40.50 (9104) 40.60 (9128)

98.8 (0.00389) 98.8 (0.00389) 100 (0.00394) 100 (0.00394

85.6 (0.00337) 84.6 (0.00333) 84.6 (0.00333) 86.9 (0.00342)

72.4 (0.00285) 71.4 (0.00281) 71.4 (0.00281) 72.4 (0.00285)

61.0 (0.00240) 58.7 (0.00231) 59.9 (0.00236) 61.0 (0.00240)

Solución Usando el retrocálculo del módulo punto por punto, cada medición del FWD es usada para calcular el módulo k dinámico efectivo y el módulo elástico. Tabla 8.2 Resultados retrocalculados con datos de FWD

Número de ensayo

AREA mm (pulg)

l, mm (pulg)

Kdyn, kPa/mm 2 (lb/pulg /pulg)

E losa, GPa 6 2 (10 lb/pulg /pulg)

1 2 3 4

734 (28.89) 724 (28.50) 719 (28.29) 730 (28.75)

752 (29.62) 721 (28.40) 706 (27.78) 741 (29.17)

89 (329) 96 (355) 99 (366) 91 (334) 94 (346)

37 (5.4) 34 (4.9) 32 (4.6) 35 (5.1)

Promedio:

34 (5.0)

El espesor obtenido es D f de de 280 mm (11.2 pulg). Para el cálculo del Def usando el método del factor de condición, se obtiene un F jcu igual a 0.94 y un Ep igual a 200 mm (7.7 pulg). El espesor requerido de sobrecarpeta es 210 mm (8.2 pulg). Utilizando una confiabilidad del 50%, el número de ESALs E SALs para una serviciabilidad final de 1.5 es de aproximadamente 14 millones. De esta manera, D ef es es igual a 170 mm (6.7 pulg) usando el método Sobrecarpeta de Hormigón No Adherida a Pavimento existente de Hormigón

133


de vida remanente. De acuerdo este método el espesor requerido de sobrecarpeta de hormigón no adherido es igual a 230 mm.

Figura 8.3. Espesor de Pavimento para Tráfico futuro

Figura 8.4. ESAL Terminal para Serviciabilidad final


134


Figura 8.5. Vida Remanente

Figura 8.6 Hormigón no adherido sobre Pavimento de Hormigón


135



_________________ ________________________ _______________ ________________ ________________ _______________ ________________ _________________ ________________ ______________ ______

LOSA:


= ____________________ pulg (mm)


= _____________________ psi (kPa)


= _____________________ psi (kPa)

Coeficiente de transferencia de carga, J = _____________________ (3.2 a 4.0 para H° simple c/juntas, 2.2 a 2.6 para H° continuam reforzado) TRAFICO: ESALs en el carril de diseño durante el periodo de diseño (N f )

= _____________________

SOPORTE Y DRENAJE:

Coef. k efectivo dinámico= lb/pulg2/pulg

_____________________

Coef. k estático = Coef. k efectivo dinámico / 2= lb/pulg2/pulg (típicam. 50 a 500 lb/pulg2/pulg)

_____________________

Coeficiente de drenaje, C d (típicam. 1.0 para condiciones pobres de drenaje)

= _____________________

PERDIDA DE SERVICIABILIDAD: Pérdida de serviciabilidad (P 1 - P2)

= _____________________


= _____________________ %

Coef. de desviación estándar, S o (típicam. 0.39)

= _____________________

CAPACIDAD ESTRUCTURAL FUTURA: El espesor de losa requerido para tráfico futuro es determinado de la ecuación de diseño de pavimento rígido. Df = __________________ pulg (mm)


136



________________ ________________________ ________________ ________________ ________________ ________________ _________________ ________________ _______________ ______________ ______

Método del factor de condición: F jcu


= ______________________ ____________________ __ = ______________________ ____________________ __ = ______________________ ____________________ __ = ______________________ ____________________ __ = ______________________

F jc = _________________ (Figura 8.2) (Valor recomendado 1.0, reparar todas las áreas deterioradas) Espesor efectivo de losa Def = F jcu D = ________________ Método de Vida Remanente: Np = ESALs pasados en el carril de diseño

= ________________


= ________________

  N p   RL = 100 1    = ________________   N1.5  

CF = ___________________ Def = CF x D = ___________________

Determinación espesor sobrecarpeta: Dol = (Df 2 - Def 2)0,5 = ___________________


137


CAPITULO 9 LOSA DE HORMIGÓN SOBRE PAVIMENTO DE CONCRETO ASFÁLTICO 9.1. Introducción Los Pavimentos de: hormigón simple con juntas; hormigón reforzado con juntas y hormigón continuamente reforzado, sobre pavimentos de concreto asfáltico mejoran su capacidad estructural y sus condiciones funcionales. La realización de este tipo de sobrecarpeta implica la materialización de los siguientes pasos constructivos - Reparación de áreas deterioradas y mejoramiento de las condiciones de drenaje. - Construcción de carriles ensanchados o carriles adicionales, si fuera necesario. - Fresado de la superficie existente si hubiera mucha distorsión o si la pendiente transversal fuera inadecuada. - Colocación de una capa niveladora de concreto asfáltico, si fuera necesario. - Colocación de la sobrecarpeta de hormigón. - Aserrado y sellado de juntas.

9.2. Factibilidad Esta es una alternativa factible para casi todos los pavimentos de concreto asfáltico. Es aún más ventajosa desde el punto de vista de costos cuando el pavimento existente está seriamente deteriorado. Las condiciones en las cuales este tipo de solución no es factible son: - El monto de deterioro del pavimento existente de concreto asfáltico es pequeño y hay otras alternativas más económicas. - El espesor de sobrecarpeta es inadecuado para respetar el gálibo en cruces bajo nivel. - El pavimento existente es susceptible de sufrir grandes asentamientos y/o hinchamientos. En los casos en que fuera necesario habilitar rápidamente la sobrecarpeta, se emplearán hormigones de alta resistencia inicial. En algunos casos se han habilitado obras entre 6 a 24 horas después del colado del hormigón.

Losa de Hormigón sobre Pavimento de Concreto Asfáltico

138


9.3. Tareas de reparación previas Una de las grandes ventajas de esta solución es que las reparaciones del pavimento existente son muy escasas. Sin embargo, deben repararse los siguientes tipos de fallas para evitar la reflexión de fisuras. Para sobrecarpetas con pavimentos de hormigón simple con juntas y pavimentos reforzados con juntas: -

-

Bombeo/disgregación - drenes de borde borde (si fuera necesario) remoción remoción de la capa disgregada si el daño es severo Asentamientos/protuberancias – nivelar la capa de concreto asfáltico

Para sobrecarpetas de hormigón continuamente reforzado: -

Fisuras piel de cocodrilo – bacheo de sectores con altas deflexiones

-

Bombeo/disgregación - drenes de borde (si fuera necesario) remoción remoción de la capa disgregada si el daño es severo

-

Asentamientos/protuberancias – nivelar la capa de concreto asfáltico

9.4. Control de reflexión de fisuras En general no hay problemas en este tipo de sobrecarpetas en lo que se refiere a reflexión de fisuras, sin embargo si el pavimento existente de concreto asfáltico tiene fisuras transversales severas por efecto térmico, se aconseja colocar algún tipo de capa separadora sobre las fisuras transversales para reducir el riesgo de reflexión de fisuras.

9.5. Subdrenaje Las condiciones del subdrenaje de un pavimento existente usualmente tienen gran influencia en el desempeño de la sobrecarpeta. Realizando la mejora de un subdrenaje pobre se afecta positivamente en el desempeño de la sobrecarpeta. La remoción del exceso de agua de la sección transversal del pavimento reduce la erosión e incrementa la resistencia de la base y subrasante, lo que adicionalmente reduce las deflexiones inducidas por el tráfico. Adicionalmente la mejora del subdrenaje puede disminuir la disgregación del concreto asfáltico.

9.6. Diseño de espesores El espesor requerido de sobrecarpeta de hormigón es una función de la capacidad estructural requerida para satisfacer las demandas futuras de tránsito y del soporte dado por el pavimento existente de concreto asfáltico. Los espesores de sobrecarpeta de hormigón varían entre 5 pulg (12,5 cm) a 12 pulg (30 cm) siendo lo más común de 7 a 10 pulg (18 a 25 cm). Para determinar el espesor de sobrecarpeta D ol es necesario seguir los pasos que se indican a continuación. Es conveniente hacer ensayos de deflexiones sobre el pavimento existente. Si esto no fuera posible, se obviarán los pasos 4 y 5 y se reemplazarán por observación visual de las fallas y estimación de los datos de entrada.


139


9.6.1. Diseño del pavimento existente (Paso 1) Para diseñar una sobrecarpeta de hormigón sobre un pavimento de asfalto usando el procedimiento de AASHTO, deben determinarse los tipos de materiales existentes y los espesores de capas.

9.6.2. Análisis de tránsito (Paso 2) Debe realizarse un análisis de tráfico para determinar el número de ESALs futuros previstos en el carril de diseño durante el período de diseño. Esta determinación debe realizarse con los factores equivalentes vehiculares de pavimento rígido.

9.6.3. Observación del estado del pavimento existente (Paso 3) No es necesario un relevamiento detallado del estado del pavimento existente. Solamente se necesita de una inspección que identifique los siguientes deterioros que pueden afectar el desempeño de la sobrecarpeta de hormigón: - Levantamientos e hinchamientos - Signos de disgregación en el concreto asfáltico, el daño puede ser mayor en la parte inferior de pavimento. - Grandes fisuras transversales que, sin una capa separadora, pueden reflejarse en la sobrecarpeta.

9.6.4. Ensayos de deflexión (Paso 4) La realización de ensayos de deflexión son altamente recomendables para este tipo de sobrecarpetas especialmente en pavimentos de alto tráfico. Se deben medir las deflexiones en correspondencia con la zona transitada por la rueda externa de los vehículos. Los intervalos de medida varían entre 100 y 1000 pies (30 a 300 m). Se usan dispositivos FWD de 40 kN de carga. Las deflexiones se miden en el centro de la placa de carga y por lo menos a una distancia suficientemente alejada de la misma. En base a estos valores se determina el módulo resiliente de la subrasante, M R , y el módulo efectivo del pavimento E p. En base a estos valores se determina el valor efectivo dinámico k mediante el gráfico de fig. 4.16 usando el módulo de subrasante M R , el módulo de las capas de pavimento E p y el espesor total del pavimento existente D por encima de la subrasante. En este caso el valor de M R , obtenido a partir de deflexiones necesario para determinar k, no debe ser ajustado por el factor C (C=0,33) como para el caso de la obtención del M R de diseño para sobrecarpetas de concreto asfáltico sobre pavimentos de concreto asfáltico.

9.6.5. Muestreo y ensayo de materiales (Paso 5) 5) A menos que deterioros en condiciones inusuales se presenten, extracción de núcleos y ensayos de materiales no son requeridos.

9.6.6. Determinación del espesor requerido de losa para el tránsito futuro, Df (Paso 6) Es importante tener en cuenta que las propiedades de la sobrecarpeta de hormigón (módulo elástico, módulo de rotura y transferencia de cargas) controlan el comportamiento del nuevo


140


pavimento a construirse. El cálculo se realiza con las consideraciones para pavimento rígido nuevo. Se proveen los valores tipo, valores fuera de estos rangos deben utilizarse con precaución. 9.6.6.1 Módulo k estático efectivo El módulo k estático efectivo e fectivo debajo del pavimento rígido existente se puede determinar por alguno de estos métodos: - Cálculo del k efectivo dinámico a partir de medidas de cuencos de deflexión. Dividiendo el valor obtenido por 2 se obtiene el k efectivo estático. Cuando sea necesario, este módulo k efectivo debe ser corregido por efectos estacionales. - Estimación a partir de datos de suelos, tipo de base y espesores, usando el gráfico 5.4 del capítulo 5. Esta alternativa es simple, pero el módulo k obtenido debe considerarse como una estimación preliminar. 9.6.6.2 Pérdida de serviciabilidad de diseño. Es la diferencia entre la serviciabilidad inmediatamente después de la sobrecarpeta y la serviciabilidad en el momento de la próxima rehabilitación. 9.6.6.3 Factor de transferencia de cargas J Para calcular la habilidad del pavimento de transferir cargas entre juntas y fisuras. Los valores están recomendados en el capítulo 5, tabla 5.2. 9.6.6.4 Módulo de rotura de la sobrecarpeta El módulo de rotura puede ser determinado por alguno de los siguientes métodos: - Estimación a través de la resistencia a la tracción indirecta. - Estimación a través del módulo elástico del pavimento existente: SC’ = 43,5 (E/l0 6) + 488,5

(9.1.a)


(9.1.b)

donde: E=módulo elástico del hormigón (kPa) 9.6.6.5 Módulo elástico de la sobrecarpeta. El módulo elástico se puede determinar por alguno de los siguientes métodos:


141


- Cálculo a partir de medidas de deflexiones (Paso 4) - Estimación a partir de la resistencia a la tracción indirecta. 9.6.6.6 Pérdida de soporte de la losa existente. La pérdida de soporte toma en cuenta la falta de soporte por erosión y movimientos verticales de la subbase y subrasante. Para tomar en cuenta esta pérdida de soporte, el módulo k efectivo debe reducirse. El ábaco de la figura 9.1 proporciona la influencia de esta pérdida de soporte en el módulo k. La tabla 9.1 sugiere rangos de variación de la pérdida de soporte. Como se puede apreciar el factor de soporte para base de asfalto tiene una variación en un rango entre 0 y 1.0. Para el diseño del espesor de la sobrecarpeta se debe considerar una losa completamente soportada (LS=0). Si se consideran diferentes tipos de base o subbase en el diseño, los valores a determinar deben corresponder a cada tipo Tabla 9.1 Típicos rangos de pérdida de soporte para varios tipos de materiales (AASHTO – 93)

Tipo de material

Pérdida Pérdida de soport e

Base granular tratada con cemento E = 6.9 a 13.8 GPa (1,000,000 a 2,000,000 2 lb/pulg /pulg) Mezclas de agregado con cemento

0.0 a 1.0

2

0.0 a 1.0

2

0.0 a 1.0

E = 3.4 a 6.9 GPa (500,000 a 1,000,000 lb/pulg /pulg) Base tratada con asfalto E = 2.4 a 6.9 GPa (350,000 a 1,000,000 lb/pulg /pulg) Mezclas bituminosas estabilizadas 2

E = 276 a 2070 MPa (40,000 a 300,000 lb/pulg /pulg) Estabilizada con cal

0.0 a 1.0

2

1.0 a 3.0

2

1.0 a 3.0

E = 138 a 483 MPa (20,000 a 70,000 lb/pulg /pulg) Materiales granulares no adheridos E = 103 a 310 MPa (15,000 a 45,000 lb/pulg /pulg) Materiales finamente graduados o subrasantes naturales

2.0 a 3.0

2

E = 21 a 276 MPa (3,000 a 40,000 lb/pulg /pulg)


142


(270)

(135)

(27)

(14)

(3)

(1) (kPa/mm)

(1)

(3)

(14)

(27)

(135)

(270)

(540) (kPa/mm)

Figura 9.1 Corrección del módulo k por pérdida potencial de soporte (AASHTO – 93)

9.6.6.7 Confiabilidad de diseño de la sobrecarpeta R La confiabilidad afecta en gran medida en el espesor de la sobrecarpeta. El diseño debe tomar las consideraciones del diseño de pavimentos nuevos. 9.6.6.8 Desviación estandard Las consideraciones de incertidumbre son diferentes para sobrecarpetas y pavimentos rígidos nuevos. Así mismo los valores apropiados varían según el tipo de sobrecarpeta. Se recomienda adoptar para este caso un valor de 0.39, tal como se hace para pavimentos rígidos nuevos. 9.6.6.9 Capacidad de subdrenaje La capacidad de subdrenaje debe ser prevista en función a las características del pavimento existente. El bombeo de finos o presencia de fisuras tipo cocodrilo son indicios de que hay problemas de drenaje. Tomar en cuenta que en el AASHO Road Test un C d = 1.0 representa condiciones pobres de drenaje.


143


9.6.7. Determinación del espesor de sobrecarpeta (Paso 7) El espesor de sobrecarpeta es igual al requerido por la losa para tráfico futuro como se indica a continuación: Dol = Df

(9.2)

En cuanto a juntas con sus dispositivos de transferencia de cargas y pavimentos reforzados con juntas o continuamente reforzados, tiene validez validez lo explicado para diseño de pavimentos rígidos. rígidos.


9.8. Juntas Las juntas transversales y longitudinales deben ser ejecutadas de la misma manera que para un pavimento nuevo, excepto en lo concerniente al espaciamiento de juntas para sobrecarpetas no adheridas de hormigón simple. Debido a la alta rigidez del soporte debajo de la losa con sobrecarpeta, se aconseja limitar el espaciamiento entre juntas para controlar las tensiones de alabeo por gradiente térmico, con una máxima separación entre juntas (pies) = 1 ,75 espesor losa (pulg)

9.9. Refuerzo Las sobrecarpetas de hormigón reforzado con juntas y hormigón continuamente reforzado deben tener armadura para mantener unidas las fisuras que se pueden producir. Para su diseño se debe tomar en cuenta las recomendaciones para pavimentos nuevos, excepto que el factor de fricción a considerar es más alto (entre 2 a 4) debido a la adherencia entre el concreto asfáltico y la sobrecarpeta de hormigón.

9.10. Ensanchamiento El ensanchamiento requiere que se coordine entre el diseño de la nueva sección y la sobrecarpeta. Ambos, el pavimento existente y la parte a ser ensanchada deben proveer superficies que sean funcionalmente adecuadas así como secciones estructuralmente resistentes.

9.11 Ejemplo de diseño Un pavimento existente de concreto asfáltico de de 200 mm (8 pulg) tiene una base de piedra partida de 80 mm (3 pulg) y una subbase granular de 260 mm (10.4 pulg). Se analiza la opción de construir una sobrecarpeta de hormigón simple con juntas. El tráfico esperado durante el periodo de diseño se estima que solicitará al pavimento rígido con 11,000,000 ESALs. Se plantea la utilización de transferencia de carga con barras pasajuntas en las juntas transversales. El drenaje es equivalente a las condiciones del AASHO Road Test. Se realizó el ensayo con FWD con una carga de 36.6 kN (8,222 lb) que produjo una deflexión de 194 µm (0.00765 pulg) bajo el plato de carga y deflexiones de 148, 111 y 83 µm (0.00582, 0.00439 y 0.00325 pulg) a distancias de 305, 610 y 914 Losa de Hormigón sobre Pavimento de Concreto Asfáltico

144


mm (12, 24 y 36 pulg) desde el centro de carga. La temperatura de la mezcla de concreto asfáltico durante el ensayo fue de 20 °C (68 °F). Basado en esta información utilizando DIPAV 2.0, determinar el espesor requerido de sobrecarpeta de hormigón simple y juntas. Solución: Usando los datos del FWD se determina un módulo k efectivo dinámico de 320 kPa/mm (1,170 lb/pulg2 /pulg). Este valor corresponde a un k efectivo estático de 160 kPa/mm (590 lb/pulg 2 /pulg). Asumiendo una pérdida de soporte con un factor de 0.4, el módulo k efectivo se reduce a 110 kPa/mm (400 lb/pulg 2 /pulg). Estos valores resultan en un espesor de sobrecarpeta de 240 mm (9.5 pulg)

Figura 9.2 Determinación del espesor para tráfico futuro

Figura 9.3 Determinación del espesor de sobrecarpeta


145



________________ ________________________ ________________ ________________ ________________ ________________ _________________ ________________ _______________ ______________ ______

LOSA:


= ____________________ pulg (mm)


= _____________________ psi (kPa)


= _____________________ psi (kPa)

Coeficiente de transferencia de carga, J = _____________________ (3.2 a 4.0 para H° simple c/juntas, 2.2 a 2.6 para H° continuam. reforzado) TRAFICO: ESALs en el carril de diseño durante el periodo de diseño (N f )

= _____________________

SOPORTE Y DRENAJE:

Coef. k efectivo dinámico= lb/pulg2 /pulg

_____________________

Coef. k estático = Coef. k efectivo dinámico / 2= lb/pulg2 /pulg (típicam. 50 a 500 lb/pulg 2 /pulg)

_____________________

Coeficiente de drenaje, C d (típicam. 1.0 para condiciones pobres de drenaje)

= _____________________

PERDIDA DE SERVICIABILIDAD: Pérdida de serviciabilidad (P 1 - P2)

= _____________________


= _____________________ %

Coef. de desviación estándar, S o (típicam. 0.39)

= _____________________

CAPACIDAD ESTRUCTURAL FUTURA: El espesor de losa requerido para tráfico futuro es determinado de la ecuación de diseño de pavimento rígido. Df = __________________ pulg (mm)


146

IBCH sobrecarpetas DIPAV.pdf

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