TRABAJO DE INVESTIGACION SOBRE LA LEY DE MINER LAW
LEY DE MINER LAW Y SU APLICACIONES AL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO HIDRAULICO.
La versión actual del método de la PCA fue publicada en 1984. En la misma se han introducido numerosos cambios con respecto a la anterior, aparecida en 1966. Para ello se han aprovechado los avances en los métodos de análisis de pavimentos, los cuales han permitido estudiar la influencia de una serie de factores que no pudieron ser considerados de forma adecuada en la versión precedente, tales como pavimentos con pasadores en las juntas, bases de concreto pobre, bermas de concreto, deterioro del pavimento debidos a la erosión de la base, vehículos pesados con ejes tridem, etc. Un aspecto que se destaca en la versión de 1984 es la introducción del criterio de erosión, el cual reconoce que un pavimento (especialmente si está sometido a un tránsito pesado) puede fallar por fenómenos de bombeo o "pumping", erosión de la base y escalonamiento de las juntas, antes que por fatiga debida a excesivas repeticiones de carga.
Aunque la ley de Miner fue formulada inicialmente para las tensiones de tipo mecánico provocadas por las cargas, la PCA ha adoptado también la misma para evaluar la resistencia frente a la erosión de un pavimento (o, mejor dicho, de la superficie de apoyo de las losas de concreto). De forma similar a lo supuesto en el análisis a fatiga, si un pavimento puede aguantar un cierto número de repeticiones Ne, ; de una determinada carga Pi antes de que se produzca la erosión de dicha superficie de apoyo, el pavimento se encuentra en buenas condiciones frente a la erosión si, para el conjunto de las cargas, se verifica que:
Hay que indicar que, para cada carga p; el número de repeticiones admisibles frente a la fatiga Nf, i, no tiene por qué coincidir con el de las admisibles frente a erosión Ne, y por depender en cada caso de factores diferentes. Por otra parte, debe mencionarse que si bien el análisis a fatiga del método de la PCA se basa en modelos teóricos haciendo uso del método de los elementos finitos, por la que su utilización no presenta ningún tipo de restricciones. Por el contrario, para el análisis frente a la erosión se ha empleado un modelo de evolución de la misma deducido a partir del comportamiento de una serie de pavimentos de USA, por lo que en principio su aplicación a otros países con circunstancias diferentes, por ejemplo en lo que se refiere a gradientes térmicos o cargas de tránsito superiores a las de USA, debería contemplarse con precaución.
ACUMULACIÓN DE DAÑOS. LEY DE MINER La repetición de solicitaciones idénticas jamás se producen el la realidad, ya que estas se distribuyen al azar. El problema se debe de enfocar así:
n solicitaciones de amplitud σ (superiores al limite de fatiga), tales que N es la duración de vida de la aplicación de la amplitud única, σ , n
₁
₁
₁
₁
₁
₂
₂
₂
₂
Esta regla, se puede interpretar como n /N , representa la proporción del capital de fatiga que sea consumido bajo el esfuerzo σ ; se nota que d , proporción que se llama DAÑO DE FATIGA. ₁
₁
₁
n /N ₂
₂
= 1-, d
₁
supone la adición de daños.
₁
La Ley de Miner se generaliza en el caso de un gran número de secuencias de carga repetidas, de amplitud diferente para cada una. La condición de ruptura por fatiga se expresa así:
Infortunadamente, numerosos resultados experimentales muestra que esta Ley de Adision de daños no es exacta. En el trabajo original de Miner por ejemplo, el valor del reporte ∑ n ᵢ/ N ᵢ, encontrando experimentalmente varia de 0.61 a 1.45. Si se empieza por aplicar el nivel de esfuerzo mas elevado la duración de vida total es en general mas debil que si se aplica antes el nivel de esfuerzo mas bajo.
VARIACIONES MODULARES EN EL PERÍODO DE ANÁLISIS La variación de los módulos a lo largo de la vida está condicionada por las condiciones climáticas y por el proceso de fatiga dentro de los materiales ligados, que modifican su rigidez en función del daño acumulado en este proceso, esto motiva una redistribución de tensiones dentro de la estructura; y finalmente los materiales no ligados susceptibles al nivel de solicitaciones también modifican su módulo de trabajo. Es necesario en este modelo entonces definir la variación del módulo de las capas ligadas a lo largo del proceso de fatiga. En este proceso se valora la historia de tensiones de cada capa por medio de la utilización del daño acumulado en cada punto, valorado mediante la Ley de Miner. Se obtiene luego de calculados los daños en la cara superior e inferior de la capa, un valor medio del daño, que caracteriza el estado de la capa y permitirá la obtención del
módulo de trabajo del Período.
DISEÑOS DE LA ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS.
INTRODUCCIÓN
El Proyecto denominado “ Carretera Boulevard constitución tramo de la calle del volcán –redondel integración del kilometro (00+000) hasta el (05+160del departamento de san salvador pose como antecedente un diseño final de ingeniería desarrollado en el año 2001 – 2002 y un diseño conceptual formulado por el Viceministerio de Obras Públicas (MOP); actualmente el Proyecto demanda la realización de una actualización sobre la base conceptual existente para obtener un diseño final que el Ministerio de Obras Públicas, Transporte . En conjunto con el Fondo Salvadoreño para Estudios de Preinversión (FOSEP) y con el financiamiento del Banco Interamericano de Desarrollo (BID), invitan a todas las Consultoras Nacionales e Internacionales interesadas en ofrecer sus El presente documento corresponde al Diseño de la Estructura de Pavimento, desarrollado bajo la metodología AASHTO 93 y PCA, para el Proyecto Diseño Final de Ingeniería “Boulevard Constitución, tramo Calle al Volcán – Redondel Integración”, refiriéndose específicamente al tramo , localizado entre las Estaciones 00+000 a 5+160. El método de diseño AASHTO fue desarrollado en los Estados Unidos en la década de los sesenta, basándose en un ensayo de escala real realizado durante dos años en el estado de Illinois. A partir de los deterioros que experimentaron las pistas de prueba sometidas a cargas conocidas se establecieron ecuaciones que permitieron modelar las relaciones deterioro / solicitación para todas las condiciones ensayadas. Por esta
razón existe una limitante de este método, como estudio empírico, la cual consiste en establecer la validez de las relaciones propuestas para condiciones diferentes a las existentes en el lugar de la prueba, situación que debe ser considerada por los diseñadores al momento de aplicarla a las condiciones locales requiriendo conocimiento y experiencia. Uno de estos parámetros es la serviciabilidad, la cual consiste en la condición de un pavimento para proveer un manejo seguro y confortable a los usuarios, en un determinado momento. De acuerdo al método AASHTO, se mide cuantitativamente a través del índice de serviciabilidad (p), en una escala de cero a cinco siendo cinco el mejor valor; para el proyecto que nos ocupa este parámetro ha sido establecido en función de las recomendaciones de la Guía de diseño AASHTO 93.
Para el Cálculo de los ESALs a utilizar en el diseño de la Estructura de Pavimento de los hombros, se han hecho las consideraciones siguientes: Como lo define la AASHTO, el hombro de una autopista o carretera, es “la porción de la vía contigua a los carriles principales; destinados a acomodar los vehículos que se estacionan al costado de la carretera en casos de emergencias y para proporcionar confinamiento lateral a la estructura principal de pavimento”. Existe una variedad de prácticas relacionadas con el diseño de hombros; pero no existe una guía que unifique criterios en este tema. El diseño estructural de hombros ha sido desarrollado mayormente basado en la experiencia más que en métodos racionales. Sin embargo, con el incremento de vehículos como de velocidades de operación en las vías, la necesidad de hombros adecuados ha incrementado considerablemente. Los factores que afectan el diseño de hombros son similares a los que afectan el diseño de los carriles principales de circulación. La diferencia principal es el volumen de tráfico; el cual es considerablemente menor al que circula por los carriles principales; recomendándose para su predicción considerar 1 aproximadamente el 10% del tráfico de diseño en los carriles principales, ya que los hombros únicamente prestarán servicio de estacionamiento de emergencia. Con las predicciones de ESALs anteriormente planteadas, los valores usados en el diseño del pavimento en los hombros es el siguiente: ESALs por carril de transito=100,215,580.19 La versión actual del método de la PCA fue publicada en 1984. En la misma 1
se han introducido numerosos cambios con respecto a la anterior, aparecida en 1966. Para ello se han aprovechado los avances en los métodos de análisis de pavimentos, los cuales han permitido estudiar la influencia de una serie de factores que no pudieron ser considerados de forma adecuada en la versión precedente, tales como pavimentos con pasadores en las juntas, bases de concreto pobre, bermas de concreto, deterioro del pavimento debidos a la erosión de la base, vehículos pesados con ejes tridem, etc El presente informe detalla las consideraciones utilizadas y el proceso de cálculo empleado para el diseño de las dos alternativas de pavimentos solicitadas. Considerando la filosofía expuesta anteriormente del método utilizado, el diseño de las estructuras de pavimentos está basado estableciendo los objetivos básicos siguientes: Responder estructural y en forma óptima a las solicitaciones de carga y a la capacidad de soporte para ambos métodos Desde el punto de vista constructivo asegurar que sea compatible con las características del proyecto para cada método de estudio. Impactar lo menos posible el medio ambiente.
VARIABLES DE DISEÑO La filosofía de diseño básica de la guía AASHTO es el concepto de Serviciabilidad – Comportamiento, que permite diseñar un pavimento para un volumen total de tráfico específico y un mínimo nivel de Serviciabilidad deseado al final del periodo de diseño. Los índices inicial y final deberán estar acordes con la función de la Estructura de pavimento diseñada y la calidad de construcción. Para el caso del Índice de Serviciabilidad Inicial (PSI inicial) a considerarse en el diseño, se definirá de acuerdo a lo indicado a continuación: siguiendo los lineamientos establecidos en la guía aashto 93, han sido considerados los parámetros de diseño siguientes: Variables de diseño: Período de diseño Tráfico Confiabilidad Desviación estándar Efectos ambientales Criterios de comportamiento Serviciabilidad Propiedades de los materiales para el diseño estructural Modulo efectivo de la sub-rasante
Caracterización de los materiales de capas en pavimento
Características estructurales del pavimento
Coeficiente de drenaje Coeficiente de transferencia de carga Pérdida de soporte
Módulo de elasticidad Serán analizadas tres alternativas de estructura de pavimento, las cuales serán evaluadas técnica y económicamente, y en función de los resultados se recomendará la alternativa más conveniente para el proyecto. El análisis económico será realizado considerando únicamente los costos concernientes a los paquetes estructurales de las diferentes alternativas estudiadas, siendo éstas:
i.PERÍODO DE DISEÑO
El período de diseño es el tiempo transcurrido, en el cual una estructura nueva o rehabilitada se deteriora desde su serviciabilidad inicial hasta su serviciabilidad final.Para este proyecto se ha considerado un período de diseño de 25 años de acuerdo a lo solicitado en los el trabajo Ex - aula, TRÁFICOLas
solicitaciones de carga en un pavimento está definida por el ESAL de Diseño; en donde el ESAL (Equivalent Simple Axial Load) es la conversión de las cargas esperadas y acumulativas durante el período de análisis, a un Número de Repeticiones de Cargas Equivalente de un Eje Simple de Ruedas Duales de Carga Standard de 100,215,580.19 Para la determinación del ESAL a considerar en el diseño para cada tipo de pavimento, se partió de los resultados proporcionados en la tabla No.1,
TABLA No.1
CARACTERISTICASCONDICIONES CLIMATICAS EN LA ZONA DONDE SE DESARROLLA EL PROYECTO.
SUELO
Se pueden identificar dos tipos de estratos predominante en la zona del proyecto, ambos provenientes del Volcán San Salvador del período pleistoceno; un primer tipo lo constituye un estrato de tobas de color café ínter estratificadas localmente con cenizas y escorias. De acuerdo con el mapa geológico de El Salvador la zona en estudio esta compuesta principalmente por dos tipos de suelos: tobas color café y lavas basálticas y andesitas del volcán San salvador cubiertas por tobas color café hasta tres metros y en el cauce de las quebradas pueden observarse Lavas basálticas y andesitas del volcán San Salvador.
CLIMA
Se creó una base de datos de clima específica para el proyecto en estudio, denominada “Boulevard Constitución, tramo Calle al Volcan – Redondel Integración”, refiriéndose específicamente al tramo , localizado entre las Estaciones 00+000 a 05+160., los factores considerados son los siguientes: El proyecto se encuentra entre las Tierras Calurosas y Tierras Templadas; en las cuales se puede apreciar una temperatura entre los 22 ºC y 28 ºC con variaciones según las estaciones del año de hasta 20 ºC . 700
45 40
600
35
a 500 i v u l L 400 e d 300 . m m200
30 ITIC (Máxima)
25
C º
ITIC (Media)
20 15
ITIC (Mínima)
10
100
5
0
Observatorio
Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun. Jul. Ago. Sep. Oct. Nov. Dic.
0 Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun.
Meses
Jul. Ago. Sep. Oct. Nov. Dic.
Gráfico I.2: Temperatura media mensual y anual mensual estación Observatorio
Gráfico I.2:
Precipitación máxima
CARACTERISTICAS DEL PROYECTO Y ALTERNATIVAS DE PAVIMENTO PROPUESTAS.
El proyecto consiste en la construcción de la prolongación de la ruta SAL08 hasta la urbanización la Gloria, que actualmente dispone de 2 carril por sentido con algunos tramos de carriles adicionales para el ascenso, dotándola de 4 carriles de 3.50 m cada uno (dos por cada sentido) con un separador central, con hombros exteriores de 1.8 m e interiores de 0.6 m de ancho. Este tramo se sitúa dentro del departamento de San Salvador con una longitud de 5.60 km. Boulevard constitución, tramo calle el volcán – redondel Integración.
BIBLIOGRAFIA LEY DE MINER
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