construcción
Junas en pavmenos de oneo hdáulo iván rado Sánhez Aevedo ingeneo cvl, espealsa en ingeneía de Pavmenos Aci conee Flawok Flawok tehnan tehnan vanado.sanhez@ngeneos.om
(Prim (P rimera era parte) parte)
o d a u g a r f e d o d a r G
1
2
3
Plástico
Transición (fraguado)
Solido (comienzo de propiedades mecánicas)
Fraguado final
Perdida de trabajabilidad
Fraguado inicial
tiempo de fraguado
72h
Tiempo Fuente FHWA
Figura 1. Cambios de estado en el concreto hidráulico.
A r o l a c e d n ó i c u l o v e e d a s a T
B
E
D
C 12 hrs
20 hrs
15 min 2 hrs
Minutos
Horas Fuente: Universidad de Illinois
Figura 2. Tasa de evolución del calor de hidratación del cemento portland
Figura 3. Pavimento recién fundido, sin juntas programadas
a hidratación del cemento se inicia tan pronto se mezclan el cemento y el agua como parte del proceso de producción del concreto. El concreto, inicialmente en estado plástico debido a la hidratación, irá pasando a un estado endurecido, y en ese momento comenzará la evolución o ganancia de resistencias debido fundamentalmente a la hidratación del cemento (Ver gura 1.) La hidratación genera una ganancia o aumento de temperatura (calor), denominada también reacción exotérmica. (Ver gura 2.) La gran mayoría de los cuerpos sobre la corteza terrestre se dilatan cuando aumenta la temperatura y se contraen cuando la temperatura desciende. Mientras la temperatura en el concreto va en aumento debido
L
Figura 4. Formación de grietas aleatorias por ausencia de juntas programadas
Figura 5. Pavimento con juntas programadas, cortadas
Días
construcción a la reacción exotérmica, éste va endureciéndose y también dilatándose, hasta un momento en que se convierte en sólido, en ese punto el volumen del concreto ha alcanzado una dimensión superior a la inicial. Al bajar su temperatura, el concreto sufre un proceso de contracción denominado contracción térmica; posteriormente ese sólido va a dilatarse y a contraerse durante toda su vida siguiendo las variaciones de la temperatura ambiente y según los diferenciales de humedad entre la base y la supercie superior. Este último fenómeno se denomina alabeo. La contracción térmica producirá esfuerzos en el pavimento o piso de concreto. Se presentará en algún momento durante el inicio de la evolución de resistencia (propiedades mecánicas) pero, si el esfuerzo es superior a la resistencia que el concreto tiene en ese momento, el pavimento de concreto se agrietará. Imaginemos un carril de piso o pavimento de concreto recién fundido (Ver gura 3). Si ese carril se deja sin modulación alguna, el concreto se agrietará porque los esfuerzos de contracción térmica en algún momento serán superiores a la resistencia del concreto a muy temprana edad; es decir, se modulará por sí mismo (Ver gura 4). Por el contrario, si el concreto se modula anticipadamente mediante cortes de profundidad y espaciamiento adecuados, de tal manera que soporte esfuerzos de contrac-
Día
Noche
Figura 7. Ciclo del alabeo entre el día y la noche.
Día
Frío
Calor
Frío
Calor
Tensión
Peso de losa
Noche Compresión
Figura 8. Esfuerzos generados en la losa durante el ciclo de alabeo
Gradiente de temperatura positivo
Gradiente de temperatura positivo y contracción de
Grietas de abajo hacia arriba
la superficie Grietas hacia abajo
Figura 9. Factores climáticos en el alabeo de las losas
Grietas de arriba hacia abajo
ción térmica superiores a la resistencia del concreto a muy temprana edad, el concreto se agrietará por debajo de esos cortes y no presentará grietas indeseadas en supercie (Ver gura 5). Es decir, las juntas de concreto funcionarán como unas grietas disimuladas, donde el diseñador quiere que se presenten.
el alabo
Grietas de abajo hacia arriba Figura 10. Formación de grietas por alabeo
Antes (juntas frías) 0% de tranferencia de carga
El Instituto Americano del Concreto (ACI) dene el alabeo (Curling y Warping) como “distorsión de un miembro originalmente lineal o plano que toma forma curva, tal como la combadura de una losa debida a la uencia lenta o a diferencias de temperatura o contenido de humedad en las zonas adyacentes a sus caras opuestas”. Una representación gráca de este fenómeno se muestra en las guras 7 y 8. El alabeo es, entonces, una de las muchas causas que generan agrietamiento en las losas de pavimento (Ver gura 9). Por ser inherente a las propiedades del concreto es imposible evitarlo, pero con una adecuada modulación de juntas, bases apropiadas y buen diseño de espesores es posible controlar sus efectos en el agrietamiento del pavimento (Ver gura 10)
transfrnia d arga Juntas aserradas Trabazón de agregados
Dovelas pasajuntas Mejora de la transferencia de carga
Mejora de la transferencia de carga Dovelas + Trabazón de agregados
ACPA. www.pavement.com
Figura 11. Instalación de las canastillas de las barras de transferencia de carga
Si el concreto en las juntas sólo se aserrara para inducir la sura ante cargas, la res ponsabilidad de la transferencia de carga sería únicamente de la trabazón de agregados, según el ACI 360R-92 (Reapproved 1997) Diseño de Losas sobre el Terreno (Design of Slabs on Grade Reported by ACI Committee 360), la transferencia de carga por trabazón de agregados deja de ser efectiva cuando la apertura de la grieta alcanza valores entre 0,89 mm y 1,02 mm. De acuerdo con investigaciones desarrolladas por la Asociación de Cemento Portland (PCA), Colley and Humphrey 1967, la transferencia de carga por trabazón de agregados fue de 60% para los espesores ensayados de 18 y 23 cm y aperturas de 0,6 mm y 0,9 mm, respectivamente. Con el n de mejorar la transferencia de carga en las juntas, la ingeniería ha determinado colocar, antes del vaciado del concreto, unos mecanismos denominados “barras de transferencia de carga” (Ver gura 12, 13 y 14), conocidos también como dovelas pasajuntas, barras pasadores, pasadores de carga o dovelas. Normalmente son de sección redonda aunque, como se
construcción Dovela soldadas en extremos opuestos a la canastilla
Totalidad de la dovela ligeramente engrasada
Dovela centrada en la mitad del espesor Canastilla para ensamble de las dovelas
Fuente: ACI 360R - 92 (Reapproved 1997) Design of Slabs on Grade Reported by ACI Committee 360
Figura 12. Ensamble de las canastillas según ACI 360
presentará más adelante, se ha evolucionado a secciones cuadradas y otos desarrollos (ACI 360R-06). La nalidad de las barras de transferen cias de carga (dovelas) es mejorar la trans ferencia de carga en la junta. Si no estuviera la dovela, la transferencia de carga sería responsabilidad exclusiva de la trabazón de agregados a lo largo de la grieta formada bajo el corte programado.
tipos d junas Existen diversos tipos de juntas. El ACI 224.3R-95 Juntas en Construcciones de Concreto (Joints in Concrete Construction. Reported by ACI Committee 224) las pre senta esquemáticamente en la gura 15. Para el caso de pavimentos y parqueaderos de concreto, la conguración adoptada por la Asociación Norteamericana de Pavimentos de Concreto – ACPA, se presenta en las guras 16, 17 y 18.
Figura 13. Instalación de las canastillas de las barras de transferencia de carga
Alinaión d las barras pasajunas Las barras de transferencia de carga deben permitir los movimientos de dilatación y
Figura 14. Instalación de las canastillas de las barras de transferencia de carga
Columna interior
C L Junta de aislamiento
Columna interior Junta de contracción
Junta de contracción
Subbase granular compactada
C L
Espesor de losa Figura 15. Tipos de juntas, según el ACI 224.3R-95
e/4 - e/3
e/4 - e/3
3 - 9 mm
3 - 9 mm
e
e
Transversal - Sin dovela (Tipo A - 1)
Longitudinal - Sin amarre (Tipo A - 3)
e/2
e/2
e
Longitudinal - Con dovela (Tipo A - 2)
Longitudinal - Con amarre (Tipo A - 4)
Noa: e = Espesor de pavimento Fuente: ACPA, www.pavement.com
Figura 16. Juntas de contracción, según ACPA
contracción del concreto; por ello los documentos internacionales reconocen la necesidad de ubicar los pasadores de carga en el centro del espesor del pavimento y engrasarlos ligeramente en su totalidad, de tal manera que no restrin jan dichos movimientos. (ACI 360R-92)
Numerosas investigaciones reconocen la importancia de garantizar la correcta ubicación de los pasadores en planta y sección pues, de presentarse desviaciones importantes, los pasadores evitarán el libre
e
construcción e/4 - e/3
3 - 9 mm
3 - 9 mm
e/2
e/2
e
Transversal de construcción con dovela (Tipo B - 1) (Dovela lisa redonda)
e
Longitudinal de construcción con amarre (Tipo B - 2) (Barra de amarre corrugada)
Barra de Amarre Corrugada (opc)
Barra de Amarre Corrugada
e/2
e/2
e
Transversal con llave (Tipo C - 1) (Llave opcional) Llave solo para e> 25 cm
e
Longitudinal de construcción con amarre (Tipo B - 2) (Barra de amarre corrugada)
Noa: e = Espesor de pavimento Fuente: ACPA, www.pavement.com
Figura 17. Juntas de construcción, según ACPA.
Capuchón de expansión Dovela lisa
máximo 25 mm
1.20 e
e/2
e
e
Transversal - Con dovela (Tipo D - 2)
Transversal - Borde ensanchado (Tipo D - 1)
e
1.80 m
20 cm
Transversal -Con losa de base (Tipo D - 3)
Elemento jo o estructura
Longitudinal - Sin dovela (Tipo D - 4)
Medio separador Noa: e = Espesor de pavimento Fuente: ACPA, www.pavement.com
Figura 18. Juntas de aislamiento, según ACPA.
Detalle C
Detalle A
Borde engrosado para pavimento
Borde engrosado para whitetopping normal e> 10 cm
Borde cortado
4,5 cm (típico) e
Borde cortado
1,2 e
Base asfáltica
3,5 a 4,5 m (típico) e
Base asfáltica
1,2 e
GRANULAR 1,5 m mín.
1,5 m min.
Detalle D
Detalle B
Losa de impacto para paviemnto nuevo
Borde engrosado para whitetopping ultradelgado e≤ 10 cm
30 cm mín
Borde cortado
4,5 cm típico 4 cm
e
e + 7,5 cm
Base asfáltica
e > 17,5 cm 5 cm
B. asfáltica GRANULAR
2 m mín. Fuente: Concrere Intersections - TB019P
Figura 19. Juntas de transición, según ACPA
Tipo de desalineamiento
Efecto en desportillamiento
Agrietamiento
Transferencia de carga
Translación horizontal
No
No
Sí
Translación longitudinal
No
No
Sí
Translación vertical
Sí
Sí
Sí
Sesgor horizontal
Sí
Sí
Sí
Inclinación vertical
Sí
Sí
Sí
Las categorías de desalineamiento de dovelas son ilustradas abajo: Planta
Planta
Planta
Junta
Junta
Translación horizontal Sección junta
Junta
Sesgo horizontal
Translación longitudinal
movimiento de contracción y dilatación del concreto, derivando en amarre de las losas y desencadenando la formación de grietas por amarre de pasadores. En su reporte de investigación IPRF01-G-002-1, la Fundación para Innovación e Investigación de Pavimentos –IPRF, Kohn y Tayabji, 2003– hace énfasis en la alineación de la barra pasajuntas, mostrando que la alineación es una condición crítica y debe ser comprobada regularmente. La alineación de los pasadores tiene un efecto signicativo en el comportamiento del pavimento. Las especicaciones para la alineación son, por lo general: •
Sección junta
• Translación horizontal
Translación vertical
Figura 20. Tipos de desalineamiento de barras pasajuntas e impacto en el desempeño
(Kohn y Tayabji, 2003).
20 mm/m o menos fuera de alineación en el plano horizontal y vertical. ± 25 mm o menos de traslación vertical, horizontal, o longitudinal.
En el caso de juntas de construcción (longitudinales o transversales), una de las grandes dicultades es garantizar el alinea miento adecuado de las dovelas pasajuntas
construcción
Figura 21. Ubicación adecuada de pasadores de carga en junta de construcción transversal.
Figura 24. Bolsillos que formarán el negativo en el concreto para
recibir las platinas de carga cuadradas
Figura 22. Fisuramiento de la cara de la Junta de construcción por diseño y/o retiro inade-
cuado de la formaleta
C Juntas de construcción Movimiento de contracción de la losa
Movimiento de contracción de la losa
(150 mm) min.
Movimiento de contracción de la losa
Movimiento de contracción de la losa
Figura 23. Distribución en planta de las platinas de carga cuadras en juntas de construc-
ción. Tomado de ACI 360R-06 y ACI 302.1R-04
Figura 25. Platinas de carga cuadradas insertadas a lo largo de las juntas de construcción
o de transferencia de carga; de acuerdo con la Figura 20, el impacto del desalineamiento de la dovela en el comportamiento de la junta es muy grande. Por lo anterior es necesario contar con formaletas adecuadas para garantizar la correcta ubicación de los pasadores de carga en juntas de construcción longitudinales o transversales. La formaleta es, entonces, un factor de éxito fundamental para garantizar la correcta ubicación de los pasadores en las juntas de construcción como se observa en la gura 21. Deben ser diseñadas de manera tal que al ser retiradas no ocasionen la suración del concreto, como se muestra en la Figura 22, en cuyo caso se verá sacricada la transferencia de carga una vez el pavimento entre en funcionamiento.
Espesor del Pavimento cm
Diametro del Pasador cm
plg
Longitud Separación Total entre centros cm
cm
10
1.27
1/2
25
30
11 a 13
1.59
5/8
30
30
14 a 15
1.91
1/4
35
30
16 a 18
2.22
7/8
35
30
19 a 20
2.54
1
35
30
21 a 23
2.86
1 1/8
40
30
24 a 25
3.18
1 1/4
45
30
26 a 28
3.49
1 3/8
45
30
29 a 30
3.81
1 1/2
50
30
Tabla 1. Requisitos mínimos de pasadores para hacer juntas en pavimentos de concreto
En el caso de los pisos industriales, el Comité ACI 360 de Diseño de Losas sobre el Terreno, y el ACI 302 de Construcción de Pisos de Concreto, han adoptado en sus últimas ediciones desarrollos que datan de nales de la década pasada (Walker y Holland 1998), con excelentes soluciones a la transferencia de carga y movimiento de las juntas de construcción. Las guías ACI 360R-06 y ACI 302.1R-04 contemplan como alternativa a las dovelas redondas y cuadradas el uso de platinas de carga cuadradas, las cuales toman aspecto de diamante al girarse, permitiendo los movimientos de contracción en la junta de construcción con mayor acierto que las barras tradicionales (Ver guras 23, 24 y 25).
canidad d aro n las junas No es objetivo de este documento analizar las ecuaciones de cálculo de esfuerzos en una dovela, ni revisar las ecuaciones de Timochenko y Friberg de 1940 (Ver gura 26). Para ilustración de los pasadores usualmente utilizados, se presenta en la tabla 1 de PCA. Sin embargo, una manera práctica de tener un indicador del diámetro de la dovela, es la que sugiere la Asociación Norteamericana de Pavimentos de Concreto – ACPA, en su página http://www.pavement.com/Concrete_Pavement/Technical/FATQ/Design/ Dowels.asp , que dice: “La regla de dedo para el tamaño de la dovela es: Diámetro de la Dovela = 1/8 del espesor del pavimento”.
construcción
σ = Kyo = b
KPt (2 + βz) 3
4β E I
d d
Figura 26. Ilustración de las ecuaciones de Timochenko y Friberg de 1940
Advierte además el ACPA que esta regla de dedo es válida para pavimentos bien diseñados, es decir, que la determinación de su espesor obedece a rigurosos procesos de diseño.
Dmaó d la lgud d la lsa
datos relacionadas con el análisis y el diseño de pavimentos. Como resultado se han desarrollado una guía de diseño basada en principios mecanísticos sólidos, un software computacional, abundante material educativo y la documentación relacionada con el tema. Tanto la Guía de Diseño de Pavimentos Mecanística-Empírica como la documentación relacionada y el software desarrollado en el proyecto NCHRP 1-37A están disponibles en línea en http://www.trb.org/mepdg/ La Guía M-E PDG permite elaborar una modelación anticipada del deterioro del pavimento, de manera que el diseñador tiene a la mano una valiosa herramienta para v alorar su diseño con anticipación. N
Es ampliamente aceptado como sano criterio de modulación el uso de la ecuación para cálculo del Radio Relativo de Rigidez ( l ):
Estructuras
Clima Materiales
Trafico
3
l=4
E x h
12 x (1 - μ ) x k 2
(1)
Ecuación 1. Radio Relativo de Rigidez, donde:
E: Módulo de Elasticidad del Concreto. h: Espesor de la losa.
Respuesta estructural
μ : Módulo de Poisson. k: Módulo de reacción de la subrasante.
L, a < 5,5 x l (2) Ecuación 2. Longitud máxima.
L: Largo de la losa. a:Ancho de la losa.
Daños
Daños acumulados Tiempo
L/a < 1,4 (3) Ecuación 3. Relación de esbeltez.
Guía Maísa-empía paa dsñ d suuas d pavms uvs y hablas (M-e PDG AASHto 2002) Entre los años 1998-2004 se realizó en Estados Unidos el Proyecto de Investigación 1-37A del Programa Nacional Cooperativo de Investigación Autopistas (NCHRP), a un costo de 6,5 millones de dólares. La indagación examinó la literatura relevante producida hasta entonces, las conclusiones de investigaciones pasadas, las prácticas de diseño vigentes, las bases de
Deterioro del pavimento Figura 27. Conceptos de la Guía de Diseño de Pavimentos Mecanística-empírica
Agrietamiento Transversal
Planicidad (IRI)
Escalonamiento de juntas
Figura 28. Indicadores de comportamiento del pavimento de concreto con juntas empleando M-EPDG
