Fatiga en Pavimentos Integrantes: Jorge Diaz Herrera Ivan Pacheco De León Elmer Guerrero Saucedo Yohneder Aroca Pavajeau Carlos Del Castillo Fernandez
¿Qué es fatiga? Fenómeno que se produce debido a las repeticiones de carga generando agrietamientos en razón que los esfuerzos cortantes y de tensión superan a los admisibles. Es el fenomeno por el cual los materiales pierden capacidad de resistir cuando estan sometidos a carcas ciclicas con variacion en el tiempo; este fenomeno se asocia con la disminucion de la resistencia de un material en el tiempo cuando se le aplica esfuerzos dinámicos. La fatiga es el proceso de cambio estructural permanente, progresivo y localizado que ocurre en un material sujeto a tensiones y deformaciones VARIABLES en algún punto o puntos y que produce grietas o la fractura completa tras un número suficiente de fluctuaciones (ASTM).
FATIGA EN MATERIALES ASFALTICOS • Estos materiales presentan la particularidad que para un nivel de esfuerzos fijo la deformación depende del tiempo, se dice que el comportamiento de estos materiales es viscoelastico, esta propiedad se explica por la dependencia del modulo con la frecuencia de aplicación de la carga. • El modulo es elevado cuando los vehículos circulan a velocidades superiores a 60 km/h. • El Modulo es bajo cuando los vehículos circulan a velocidades bajas. • Otra variable que influye en la formación de fatiga es la temperatura, donde con altas temperaturas el modulo disminuye , otros factores que intervienen es la composición de la mezcla asfáltica, su compacidad y la naturaleza del asfalto
Fatiga En Pavimentos • La falla estructural en un pavimento se presenta cuando los materiales que conforman la estructura al ser sometida a repeticiones de carga por acción del tránsito sufren algún tipo de agrietamiento estructural relacionado con la deformación o tensión horizontal por tracción en la base de cada capa. • las fallas inician en la parte inferior de la capa y se va prolongando hasta la superficie, esto debido a que se presenta una tensión máxima en las fibras inferiores de la capa debido a los esfuerzos soportados se va degradando y prolongando hacia arriba, finalizando en unas fallas estructurales en la obra.
DESCRIPCION DEL FENOMENO • La fatiga en materiales se explicó mediante la teoría del medio continuo como un fenómeno en el que los materiales se “fatigaban” o deterioraban cuando se someten a cargas cíclicas y cuyo comportamiento obedece a la relación establecida en las llamadas curvas S-N (Esfuerzo- Numero de ciclos) • Pero en realidad la fatiga es un fenómeno que tiene su origen en la no uniformidad de los materiales y que de alguna manera contiene defectos, impurezas o discontinuidades que actúan como concentradores de esfuerzos muy localizados y que sobrepasan la capacidad de resistencia del material en esas zonas.
ETAPAS DE LA FATIGA • El análisis de fatiga se basa en la regla de Miner de daño acumulado para estimar la vida a fatiga a partir de una historia de tensiones o deformaciones. La estimación se realiza reduciendo los datos de carga a una secuencia de picos y valles, contando los ciclos y calculando la vida a fatiga. Para realizar un análisis a Fatiga o de durabilidad, se debe proporcionar información específica para el análisis de fatiga: Propiedades a fatiga de los materiales Variación de las cargas a fatiga Opciones de análisis a fatiga}
Los fallos por Fatiga se producen en tres fases: • Fase 1 (Iniciación): Una o más grietas se desarrollan en el material. Las grietas pueden aparecer en cualquier punto del material pero en general ocurren alrededor de alguna fuente de concentración de tensión y en la superficie exterior donde las fluctuaciones de tensión son más elevadas. Las grietas pueden aparecer por muchas razones: imperfecciones en la estructura microscópica del material, ralladuras, entre otras. • Fase 2 (Propagación): Alguna o todas las grietas crecen por efecto de las cargas. Además, las grietas generalmente son finas y de difícil detección, aun cuando se encuentren próximas a producir la rotura de la estructura de pavimento. • Fase 3 (Rotura): La estructura de pavimento continúa deteriorándose por el crecimiento de la grieta quedando tan reducida la sección neta de la pieza que es incapaz de resistir la carga desde un punto de vista estático o dinamico produciéndose la rotura por fatiga.
FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA FATIGA • TRANSITO: Durante el servicio y operación de las estructuras de pavimento, resulta fundamental el control sobre los vehículos de carga para que no excedan los límites en cuanto a peso considerado en los diseños • DISEÑO: Los diseño de pavimentos están enfocados en la mecánica de materiales, permitiendo un análisis teórico del comportamiento del pavimento ante las solicitaciones de carga, como el tránsito y los esfuerzos inducidos en la estructura por variaciones climáticas. • CLIMA: RADIACION SOLAR: directa sobre la capa de rodadura de una estructura altera las propiedades al cambiar la temperatura interna del pavimento.
FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA FATIGA LLUVIA: El agua penetra la capa de rodadura y se filtra hasta las capas inferiores debilitando la resistencia de la estructura causando así que la carpeta asfáltica sufra grietas.
TEMPERATURA: El aumento o disminución de temperatura puede ocasionar una modificación sustancial en el modulo de elasticidad de las capas asfálticas ocasionando en ellas y bajo condiciones especiales deformaciones o agrietamientos que influirán en el nivel de servicio de la vía. Sumados a los factores antes mencionados, como son la temperatura y el tránsito, existen otros que contribuyen a la generación de este fenómeno. Entre otros se destacan: -Nivel de esfuerzos del suelo -Contenido de asfalto -Contenido de vacíos
-Tipo de asfalto -Tipo de agregados -Método de compactación
FACTORES QUE AFECTAN LA FATIGA EN PAVIMENTOS RIGIDOS • Número de aplicaciones de carga: El número total de ciclos de carga aplicados está influenciado por la secuencia de aplicación. • Resistencia y módulo de ruptura. • Espesor de la losa de concreto: Esta tendencia es esperada porque una losa más gruesa exhibe esfuerzos mucho menores que una losa más delgada bajo las mismas condiciones del sitio. • Espaciamiento entre juntas transversales: Un incremento en el espaciamiento de las juntas puede resultar en un dramático incremento en el agrietamiento de las losas.
FACTORES QUE AFECTAN LA FATIGA EN PAVIMENTOS RIGIDOS • Apoyo en el borde de las losas: Los acotamientos en las losas de concreto mejoran el comportamiento de éstas al agrietamiento debido a que generan una reducción de los esfuerzos en el borde de los pavimentos. • Apoyo de la subrasante: El módulo de reacción de la subrasante tiene un efecto relativamente menor en el agrietamiento del hormigón, pero la diferencia entre las condiciones extremas puede ser significativo • Tiempo de curado y edad del concreto: La resistencia media a la flexión (módulo de ruptura) de vigas curadas en humedad se incrementa aproximadamente 20% entre 28 días y 20 años.
DAÑOS POR FATIGA EN PAVIMENTOS • FISURAS Y GRIETAS: Son una serie de fisuras interconectadas con patrones irregulares, generalmente ubicadas en zonas donde hay repeticiones de carga. La fisuración tiende a iniciarse en el fondo de las capas asfálticas, donde los esfuerzos de tracción son mayores bajo la acción de cargas, en donde desarrollan un parecido con la piel de cocodrilo. • Posibles Causas: La causa más frecuente es la falla por fatiga de la estructura o de la carpeta asfáltica principalmente debido a: Espesor de estructura insuficiente. Deformaciones de la subrasante. Problemas de drenaje que afectan los materiales granulares. Compactación deficiente de las capas granulares o asfálticas
• Fisuras y grietas longitudinales y transversales: Corresponden a discontinuidades en la carpeta asfáltica, en la misma dirección del tránsito o transversales a él. Son indicio de la existencia de esfuerzos de tensión en alguna de las capas de la estructura, las cuales han superado la resistencia del material afectado. • Posibles Causas: Fatiga de la estructura, usualmente se presentan en las huellas de tránsito. Pueden corresponder a zonas de contacto entre corte y terraplén por la diferencia de rigidez de los materiales de la subrasante. Riego de liga insuficiente o ausencia total. Espesor insuficiente de la capa de rodadura.
• Ahuellamiento: Es una depresión de la zona localizada sobre la trayectoria de la llanta de los vehículos. Con frecuencia se encuentra acompañado de una elevación de las áreas adyacentes de la zona deprimida y de fisuración. Un Ahuellamiento significativo puede llevar a la falla estructural del pavimento y posibilitar el hidroplaneo por almacenamiento de agua.
• Posibles Causas: El Ahuellamiento ocurre principalmente debido a una deformación permanente de alguna de las capas del pavimento o de la subrasante, generada por deformación plástica del pavimento asfáltico o por deformación de la subrasante debido a la fatiga de la estructura ante la repetición de cargas. La deformación plástica de la mezcla asfáltica tiende a aumentar en climas cálidos, y también puede darse por una compactación inadecuada de las capas durante la construcción, por el uso de asfaltos blandos o agregados redondeados.
• Grietas de esquina: Es una fisura que intersecta la junta o borde que delimita la losa a una distancia menor de 1.30 m a cada lado medida desde la esquina. Las fisuras de esquina se extienden verticalmente a través de todo el espesor de la losa.
• Posibles Causas: Son causadas por la repetición de cargas pesadas combinadas con la acción drenante, que debilita y erosiona el apoyo de la fundación, así como también por una deficiente transferencia de cargas a través de la junta, que favorece el que se produzcan altas deflexiones de esquina.
• Fragmentación múltiple: Fracturamiento de la carpeta asfaltica conformando una malla amplia, combinando fisuras longitudinales, transversales y/o diagonales, subdividiendo la losa en cuatro o más planos. • Posibles Causas: Son originadas por la fatiga, provocadas por la repetición de elevadas cargas de tránsito y/o deficiente soporte de la fundación, que se traducen en una capacidad de soporte deficiente de la carpeta asfaltica.
Técnicas de Reparación
Ley de Fatiga
¿Qué son las leyes de la fatiga? • Una ley de fatiga se define como aquella curva que muestra el efecto de la aplicación de ciclos de carga sobre la resistencia de un material; muestra el número de ciclos a la falla para diferentes niveles de esfuerzo o deformación controladas.
¿Para qué son las leyes de la fatiga? • Las leyes de fatiga se usan para el diseño y la modelación de pavimentos y constituye uno de los parámetros mas importantes en el diseño estructural de pavimentos. • Permiten determinar los esfuerzos y deformaciones admisibles en la estructura, como son la deformación vertical en la subrasante, la tensión en el plano inferior de la carpeta asfáltica y la deflexión de la estructura, lo que para efectos del diseño racional, permite verificar que los esfuerzos y deformaciones en la estructura, sean menores a los admisibles y de esta forma controlar el agrietamiento y el ahuellamiento del pavimento flexible
MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE LEYES DE FATIGA • La determinación de la ley de fatiga de una mezcla bituminosa es una cuestión compleja que requiere muchos y costosos ensayos de laboratorio y calibraciones y calados posteriores del modelo in situ. Por ello se suele recurrir a los estudios genéricos realizados por laboratorios nacionales o por organizaciones con grandes recursos. • Los dos métodos más conocidos son los desarrollados por la SHELL y por el Instituto del Asfalto (AI).
Método SHELL
• Donde Vb es el % de betún en volumen y E es el módulo de la mezcla en Mega pascales • Donde N representa el número de ciclos de carga hasta la fatiga del material al nivel de deformación ε, que es la deformación unitaria de tracción.
Método del Instituto de Asfalto (AI)
• Donde C es un factor de corrección expresado por :
• Donde Va y Vb son respectivamente el volumen de aire (huecos) y el volumen de betún. Para Va = y Vb= M= = y C=1 con lo que la expresión del AI se reduce a :
Otras leyes
Tipos De Ensayo
• Los ensayos de fatiga de laboratorio intentan reproducir el comportamiento de las mezclas bituminosas in situ. Un modelo completamente fiel debería reproducir los efectos de la variación de la temperatura, la velocidad y el tiempo de carga y reposos al cual son sometidas las mezclas bituminosas en las carreteras. La compleja interacción de estos componentes hace imposible la realización de un ensayo totalmente fiel a la realidad. • En estos ensayos se someten probetas a una serie de cargas cíclicas, en la que se mantiene constante la tensión, la deformación o el desplazamiento aplicado, hasta que se produce el fallo de la mezcla.
Flexión Simple • las pruebas simples de flexión han desarrollado la mayoría de los datos de prueba de fatiga, ya sea con esfuerzo o deformación controlada, cargas repetitivas aplicadas hasta que la muestra falle o exhiba cambios bajo en sus características que hicieron la mezcla inadecuada.
a) Ensayo de fatiga por Flexión en dos puntos: Este método caracteriza el comportamiento de las mezclas bituminosas sometidas a carga de fatiga por flexión (flexotracción) en dos puntos, utilizando probetas prismáticas cuadradas. Este método puede ser utilizado por mezclas bituminosas, con áridos de granulometría máxima de 20 mm, sobre probetas preparadas en el laboratorio u obtenidas de capas de carretera con un espesor de 40 mm como mínimo.
b) Ensayo con carga en el punto central o en tres puntos: Este método caracteriza el comportamiento de las mezclas bituminosas sometidas a carga de fatiga con desplazamiento controlado en tres puntos, utilizando probetas prismáticas. El comportamiento se caracteriza mediante la determinación de la ley de fatiga en términos de deformación (relación entre la deformación y el número de ciclos de carga aplicados hasta que se produce la rotura) y la ley de energía asociada. Este método puede ser utilizado por mezclas bituminosas, con áridos de granulometría máxima de 22 mm, sobre probetas preparadas en el laboratorio u obtenidas de capas de carretera con un espesor de 50 mm como mínimo. Para una frecuencia de desplazamiento sinusoidal dada, el método debe realizarse sobre diversos elementos ensayados a una temperatura controlada.
c) Ensayo de fatiga por flexión en cuatro puntos El objetivo al desarrollar este ensayo es determinar la resistencia a la fatiga de las mezclas extraídas de las secciones de capa asfáltica analizada o de muestras hechas en laboratorio. Los ciclos de aplicación de carga sobre la muestra hasta la falla obtenidos por este ensayo son usados para determinar la resistencia a la fatiga de las capas de pavimento asfáltico afectadas con cargas de tráfico real. Con el conocimiento de estos parámetros se puede optimizar el comportamiento de las mezclas asfálticas
Otros ensayos •Flexión apoyada Ensayo diametral •Ensayo Triaxial •Ensayos de propagación de la fractura •a) Ensayo de fatiga por Tracción Directa •b) Modo Dinámico. •Hipótesis del Ensayo BTD •Ensayo Wheel - Track •Axial directo tensión Uniaxial de tensión/compresión
a) Ensayo de b) Ensayos
Gracias.
