Tópicos de Pavimentos de Concreto Diseño, Construcción y Supervisión
Autor: MBA, Ing. Mario Becerra Salas, PMP CIP 79290
Ciudad de Lima, 2012
Mario Becerra Salas
Tópicos de Pavimentos de Concreto
Capítulos
0.- Introducción
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1.- Las redes viales y los pavimentos
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2.- Desarrollo del pavimento de concreto: mundo y Perú
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3.- Consideraciones generales en los proyectos viales
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4.- El pavimento de concreto
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5.- Consideraciones generales de diseño
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6.- El suelo
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7.- El tránsito
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8.- El concreto
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9.- Metodologías de diseño (AASHTO 93, PCA 84, MEPDG 2010, Losas Cortas) 10.- Diseño de juntas
109 231
11.- Consideraciones constructivas
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12.- Políticas de conservación conservación para pavimentos rígidos
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13.- Análisis comparativo entre las alternativas de pavimentación
Mario Rafael Becerra Salas (CIP 79290)
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Introducción Hay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica: La Voluntad ” ” Albert Einstein, científico nacionalizado estadounidense, 1,879 – 1,955.
“
Las economías de todo el mundo se sostienen en base al concepto de intercambio. Entre los pueblos se intercambian: educación y cultura, bienes y servicios,, que permiten a los participantes mejorar y ser más competitivos. servicios Entender el concepto de intercambio en sus dos facetas: educación y mercado, y su implicancia en el progreso de los pueblos, nos da una idea clara de la importancia de los medios de comunicación en la competitividad de los poblados y finalmente del país.
La competitividad, se sostiene entonces en tener más y mejores redes de comunicación: caminos (terrestres), aeropuertos (aéreos) y puertos (fluviales); y es precisamente nuestro rol como ingenieros, el que nos orienta a: proyectar, construir, supervisar, y mantener nuestra infraestructura; es decir, participar de una u otra manera en la Gestión de Infraestructura. Infraestructura.
Tener más y mejores caminos, redes viales sustentables, entre otras cosas, es sinónimo de prosperidad. Las redes viales se conforman por estructuras conocidas como pavimentos, puentes, puentes, obras de arte.
Los pavimentos, son soluciones para la configuración de caminos, siendo concebidos, diseñados y construidos pensando en mejorar y mantener condiciones óptimas de transitabilidad a lo largo de su vida útil. Son estructuras formadas por un conjunto de capas granulares y carpeta de rodadura, que descansan sobre el suelo de cimentación conocido como: subrasante. Los
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pavimentos se diseñan para transferir y distribuir eficientemente las cargas vehiculares, desde la carpeta de rodadura hasta el suelo de cimentación.
En general, los pavimentos se pueden agrupar en dos categorías:
-
Pavimentos flexibles
-
Pavimentos rígidos
La gran diferencia entre uno y otro tipo de pavimento es la forma en la que transmiten las cargas de tránsito, rigiendo este concepto la posterior concepción de su estructura.
Ambos tipos de pavimentos, flexible y rígido, tienen fortalezas y debilidades que el ingeniero consultor deberá sopesar cada vez que realice el diseño de una vía.
En el Perú, lamentablemente no están muy difundidos los conceptos relativos a los pavimentos rígidos, debido en parte a paradigmas culturales y a la falta de experiencia, producto de la brecha tecnológica en: diseño, construcción, supervisión y evaluación de este tipo de pavimentos.
El objetivo de este libro es, en cierta manera, reducir la brecha tecnológica existente, entregando conceptos y herramientas básicas para: diseñar, construir y supervisar, pavimentos rígidos. rígidos. Este libro intenta, además, ser un aliado de las entidades administradores de redes, afianzándolas en su rol de gestores de cambio, y de los ingenieros viales, para ayudarlos en sus procesos de creación de proyectos.
Pese a que se repasan conceptos clásicos sobre pavimentos rígidos, respecto a otros libros similares, el contenido se ha realizado teniendo como eje principal la realidad de nuestro país. Por lo tanto, se ha incorporado, información técnica 2
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actualizada
de:
diseño,
construcción
y
supervisión,
la
que
ha
sido
complementada con recomendaciones obtenidas a lo largo de diversas obras de ingeniería vial en las que el autor ha participado.
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1.- Las redes viales y los pavimentos Dos cosas contribuyen a avanzar: ir más deprisa que los otros o ir por el buen camino
“
”
René Descartes, filósofo y matemático francés, 1596 - 1650
1.1 Red vial Las redes viales son toda superficie terrestre, pública o privada, por donde circulan peatones y vehículos, señalizada y bajo jurisdicción de las autoridades nacionales y/o provinciales responsables de la aplicación de las leyes de tránsito.
Los elementos principales de una red vial son diseñados de acuerdo a su importancia para crear: autopistas, rutas nacionales o provinciales, caminos vecinales, caminos rurales, avenidas, calles y veredas.
Las redes viales son las responsables de integrar a los pueblos dentro y fuera de un país, ya que permiten el traslado de personas, de bienes y servicios y son sinónimo de prosperidad. En efecto, el desarrollo de las redes viales de un país esta ligado a su progreso, ya que fomenta el crecimiento económico al reducir los costos de transporte de mercancías, y a que permite el intercambio de ideas y pensamientos, difundiendo cultura y educación entre los pueblos.
1.2 Los pavimentos Los pavimentos son soluciones para la configuración de caminos, siendo concebidos, diseñados y construidos pensando en mejorar y mantener
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condiciones óptimas para el tránsito de personas, de bienes y servicios, a lo largo de su vida útil.
Los pavimentos, son estructuras formadas por una carpeta de rodadura y un conjunto de capas granulares, simples o tratadas, que descansan sobre el suelo de cimentación, también conocido como: subrasante. El pavimento está diseñado para transferir y distribuir cargas vehiculares, durante un periodo de tiempo previamente establecido. Dado que, los esfuerzos producidos por el paso de las cargas vehiculares decrecen con la profundidad, se deben colocar los materiales de mayor capacidad portante en las capas superiores. Toda la estructura trabaja para proteger al suelo natural.
Las condiciones requeridas para un adecuado funcionamiento del pavimento son principalmente: anchura, trazo horizontal y vertical, resistencia adecuada a las cargas para evitar las fallas prematuras, y tener una adecuada adherencia vehículo – pavimento, inclusive en condiciones húmedas. Los pavimentos, debido a la forma en que transmiten las cargas vehiculares, se clasifican en:
1.2.1 Pavimentos flexibles
Son aquellos que tienen una carpeta de rodadura conformada por concreto de cemento asfáltico. Recibe el nombre de pavimento flexible debido a la forma en que se transmiten las cargas desde la carpeta de rodadura hasta la subrasante. El asfalto no absorbe la totalidad de las cargas vehiculares, actúa más como un transmisor. Por ello, los pavimentos flexibles requieren, por lo general, de un mayor número de capas intermedias entre la carpeta de rodadura y la subrasante. Ver esquema 1/1
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2012 – LB - 001 Esquema 1/1: Pavimento flexible
Fuente: elaboración propia
1.2.2 Pavimentos rígidos Son aquellos que tienen una carpeta de rodadura conformada por concreto de cemento hidráulico. Recibe el nombre de pavimento rígido debido a las propiedades de la carpeta de concreto, que absorbe en mayor grado las cargas vehiculares.
Debido a la naturaleza rígida de la carpeta de rodadura, las cargas vehiculares se distribuyen en una forma más eficiente. Por ello, por lo general, requieren en su estructura de un menor número de capas granulares entre la carpeta de rodadura y la subrasante. Ver esquema 2/1.
Esquema 2/1: Pavimento de concreto
Fuente: elaboración propia
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1.3 Comportamiento de los pavimentos Los pavimentos deben ser diseñados, construidos y mantenidos con la finalidad de lograr un comportamiento funcional y estructural óptimo durante su ciclo de vida.
Comportamiento Funcional: son los aspectos que afectan la calidad de la
carpeta de rodadura y por ello están relacionados con la comodidad y seguridad de los usuarios de la vía.
Comportamiento Estructural: aspectos relacionados a la integridad como
estructura del pavimento.
Es la capacidad del pavimento para soportar la
acción combinada del tránsito y el medioambiente.
Una adecuada construcción del pavimento es un parámetro que impacta enormemente en la durabilidad del mismo. Es decir, el pavimento comienza bien y a medida que las cargas de tránsito circulan a través de la carpeta se va deteriorando. El clima es un factor que también interviene en el deterioro de los pavimentos, y que recientemente ha sido incorporado en las metodologías de diseño. Ver esquema 3/1
Esquema 3/1: Deterioro de los pavimentos en el ciclo de vida
Fuente: elaboración propia
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Un esquema de mantenimiento debe garantizar:
-
Adecuado y oportuno mantenimiento a costo razonable
-
Mantenimiento con programas de largo plazo
-
Optimizar tanto costos como beneficios del sistema
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Racionalizar el uso de los recursos disponibles
-
Efectuar un permanente control de los efectos sobre el medio ambiente
-
Implementar un control de la efectividad de la política de mantenimiento asumida
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2.- Evolución de los pavimentos de concreto “
El político se convierte en estadista cuando comienza a pensar en las próximas generaciones y no en las próximas elecciones ” Winston Churchill, politico británico, 1874 – 1965
2.1 El pavimento de concreto en el mundo El diseño de pavimentos ha evolucionado con el tiempo, desde una perspectiva artística y netamente empírica hasta ser considerado t oda una ciencia.
Antes de 1920, los espesores de las capas que conforman los pavimentos se basaron netamente en la experiencia, es decir, la misma estructura era utilizada sin discriminar la clase de vía, el tipo de suelo o el tránsito esperado. Con el tiempo, las entidades administradoras de caminos y la industria de los materiales de construcción, desarrollaron métodos de diseño de pavimentos intentando sustentar un comportamiento adecuado del mismo, teniendo en cuenta la inversión de dinero que significa construir y mantener un camino.
A continuación, se presentan los principales hitos en la historia mundial de los pavimentos de concreto:
En el año 1824, Joseph Apsdin patenta en Inglaterra el proceso de calcinación de ceniza arcillosa para la producción de cemento que al hidratarse con agua, tenía las mismas características de resistencia que la piedra de la isla de Pórtland, marcando el inicio de la tecnología del concreto.
Los primeros intentos por construir pavimentos de concreto se dieron en 1865, en la ciudad de Inverness (Escocia). Por ese tiempo se tenían algunos conceptos relacionados a la tecnología del concreto. 9
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Los siguientes intentos por construir pavimentos de concreto se dieron en Edimburgo (Escocia) entre 1872 y 1886.
En América, el pavimento de concreto más antiguo es el de Court Ave. Bellfountain, en Ohio, Estados Unidos, cuya construcción data del año 1891. Este pavimento existe hasta la actualidad, aunque a partir del año 2000 admite sólo tránsito peatonal. Ver fotografía ½.
Fotografía ½: Pavimento en Bellfountain (1891)
Fuente: http://img.groundspeak.com/waymarking (del 15 de marzo, 2011)
Los métodos racionales de diseño empezaron a concebirse después de los primeros intentos por construir pavimentos. Estas teorías se formularon asumiendo que existe un pleno contacto entre subbase y la carpeta de rodadura de concreto.
Goldbeck en 1919, desarrolló una ecuación simple para el diseño de pavimentos de concreto asumiendo que la carpeta de rodadura se comportaba como una viga en voladizo con una carga concentrada en la esquina. Premisa utilizada en el Bates Road Test.
Westergaard en 1926, plantea la primera teoría relacionada al comportamiento estructural de los pavimentos de concreto, como
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