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calculo de espesores de paviemto rigido bajo norma
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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DISEÑO DE ESPESORES PARA
PAVIMENTOS DE HORMIGÓN EN
CARRETERAS Y CALLES
MÉTODO DE LA PORTLAND CEMENT ASSOCIATION
PROLOGO
Capítulo 1 – Introducción 2
pasajuntas para, la transferencia de cargas en las aberturas de contracción. Estos pavimentos son construidos con espaciamientos de juntas mayores que los usados en pavimentos reforzados. Usualmente se desarrollan una o más fisuras transversales entre las juntas de contracción, las cuales se mantienen cerradas por el acero de refuerzo, consiguiéndose proveer una buena transferencia de cargas.
Los espaciamientos de juntas comúnmente usados y que trabajan bien, son de 15 pies para pavimentos de hormigón simple, no más de 20 pies para pavimentos con pasajuntas y no más de 40 pies para pavimentos reforzados. Espaciamientos mayores a los señalados han sido usados, pero a veces son causa de daños en las juntas y de la formación de fisuras intermedias entre ellas.
Los pavimentos con refuerzo continuo se construyen sin juntas de contracción. Debido al refuerzo de acero continuo relativamente denso en la dirección longitudinal, ellos desarrollan fisuras transversales a intervalos cercanos. Se desarrolla Un alto grado de transferencia de cargas en las caras de esas fisuras, que se mantienen firmemente unidas por el acero de refuerzo.
Los procedimientos de diseño que se proporcionan, cubren las condiciones que no han sido directamente tratadas por otros procedimientos. Estos incluyen el reconocimiento de:
La selección de un espesor adecuado está condicionado a la elección de otras características de diseño - sistema de juntas, tipo de subbase si es necesaria, y tipo de berma. Con esas condiciones adicionales de diseño, los requerimientos de espesor de diseño alternativos, los cuales incluyen el costo, pueden ser comparados directamente.
El Capítulo 2 describe como se determinan los factores necesarios para resolver un problema de diseño. El Capitulo 3 detalla el procedimiento de diseño completo usado, cuando los datos específicos de la distribución de carga por eje son conocidos u obtenidos. Si los datos detallados de las cargas por eje no están disponibles, el diseño puede ser realizado como se describe en el Capitulo 4, mediante la selección de una o varias categorías de datos representativos de pavimentos, variando desde calles residenciales hasta carreteras interestatales.
Programas de Cálculo Disponibles
Los problemas de diseño de espesores, pueden ser resueltos manualmente con las
Capítulo 1 – Introducción 3
tablas y cartas proporcionadas en esta publicación, o mediante el uso de software disponible en la Portland Cement Association, siendo el más actual el programa Street Pave accesible en línea. Para el método de diseño de AASHTO, el IBCH ha desarrollado el software DIPAV.
Bases para el diseño
Los métodos de diseño de espesores presentados, se basan en el conocimiento de la teoría de pavimentos, en su comportamiento, y en experiencias de investigación de las siguientes fuentes:
Todas estas fuentes de conocimiento son útiles. Sin embargo, el conocimiento obtenido del comportamiento de pavimentos construidos normalmente es la más importante. De acuerdo a ello, es esencial examinar la relación de los roles que el comportamiento y la teoría juegan en un procedimiento de diseño. Métodos teóricos sofisticados desarrollados en años recientes permiten que las respuestas del pavimento - esfuerzos, deflexiones, presiones-sean
modelados con más precisión. Estos análisis teóricos son una parte necesaria de un procedimiento de diseño mecanístico, porque ellos permiten la consideración de un rango completo de combinaciones de las variables de diseño.
Un segundo aspecto importante del procedimiento de diseño es el criterio aplicado a los valores teóricos computados - valores limitantes permisibles de esfuerzos, deflexiónes o presiones. Definiendo así el criterio de que los resultados de diseño son reflejo de la experiencia del comportamiento del pavimento y que los datos de investigaciones son fundamentales en el desarrollo de un procedimiento de diseño.
Las partes teóricas de los procedimientos de diseño proporcionados en esta publicación, se basan en un análisis comprensivo de los esfuerzos y deflexiones del hormigón, por un programa de cómputo de elementos finitos. El programa modela los factores convencionales de diseño, propiedades del hormigón, soporte de la fundación y cargas, más la transferencia de carga en las juntas mediante pasajuntas o trabazón de agregados y berma de hormigón, para ubicaciones de cargas axiales en el interior, borde, junta y esquina de la losa.
Los criterios para los procedimientos de diseño están basados en el diseño del pavimento, su comportamiento, y las experiencias de investigaciones referidas anteriormente incluyendo las relaciones del comportamiento de los pavimentos en la Carretera Experimental AASHO y estudios de la falla de pavimentos.
En el Apéndice A y la Referencia 30 se da más información sobre el desarrollo y bases del procedimiento de diseño.
Versión Métrica
La Publicación EB209P de la PCA, es la versión métrica del presente documento.
Capítulo 2 – Factores de Diseño 5
Fig. 1. La resistencia ganada es mostrado por la curva llena, que representa los valores MR promedio para varias series de ensayos de laboratorio, de vigas de prueba
curadas en el campo y secciones de hormigón tomadas de pavimentos en servicio.
Fig. 1. Relación entre la resistencia la flexión y la edad de diseño
En este procedimiento de diseño, los efectos de las variaciones de la resistencia del hormigón de un punto a otro del pavimento y las ganancias de resistencia del hormigón con la edad son incorporados en las cartas y tablas de diseño. El diseñador no aplicará directamente estos efectos sinó simplemente ingresará el valor de resistencia promedio a los 28 días.
Soporte de la Subrasante y Subbase
El soporte que proporciona la subrasante y la subbase, donde es usada; es el segundo
factor en el diseño de espesores. El soporte de la subrasante y subbase es definido en términos del módulo de reacción de la subrasante ( k) de Westergaard. Es igual a la carga en libras por pulgada cuadrada sobre un área de carga (una placa de 30-pulg. de diámetro), dividido por la deflexión en pulgadas para esa carga. Los valores de k son expresados como libras por pulgada cuadrada, por pulgada (psi/pulg), es decir como libras por pulgada cúbica (pci). Los equipos y procedimientos para determinar los valores de k son proporcionados en las Referencias 31 y 32.
Tabla 1.
Valor k de la Subrasante pci 4 pulg. 6 pulg. 9 pulg. 12 pulg. 50 65 75 85 110 100 130 140 160 190 200 220 230 270 320 300 320 330 370 430
Valor k de la Subbase, pci
Efecto de la Subbase no Tratada sobre los valores k
Capítulo 2 – Factores de Diseño 6
Puesto que la prueba de carga sobre placa, requiere tiempo y es costosa, el valor de k es estimado generalmente por correlación con otros ensayos simples, tal como la Razón de Soporte de California (California Bering Ratio-CBR) o las pruebas de valores-R. El resultado es válido porque no se requiere la determinación exacta del valor k; las variaciones normales para un valor estimado no afectarán apreciablemente los requerimientos de espesores del pavimento. Las relaciones de la Fig. 2 son satisfactorias para propósitos de diseño.
La Carretera Experimental AASHO demuestra convincentemente que la reducción del soporte de la subrasante durante períodos de deshielo afecta poco o nada al espesor requerido del pavimento de hormigón. Esto es cierto porque los períodos breves en los que el valor de k es disminuido durante los deshielos de primavera, son compensados por los períodos largos donde la subrasante está helada y los valores de k son más altos que los asumidos para el diseño. Para evitar los largos y tediosos métodos necesarios para tener en cuenta los cambios estacionales del valor de k, se utiliza, como valor medio razonable el normal de verano - u otoño -.
No es económico usar subbases no tratadas con el sólo propósito de incrementar los valores de k. Donde sea usada una subbase, se producirá un incremento del valor k que puede ser usado en el diseño del espesor. Si la subbase es un material granular no tratado, el incremento aproximado del valor k puede ser tomado de la Tabla 1.
Los valores mostrados en la Tabla 1 están basados en los análisis de Burmister para sistemas de dos capas mediante pruebas de carga sobre placas en losas a escala natural, realizados para determinar los valores k en subrasantes y subbases.
Las subbases tratadas con cemento son ampliamente usadas en pavimentos de hormigón sujetos a tráfico pesado. Ellas son construidas de materiales granulares A-1, A-2-4, A-2-5 y A-3 de la Clasificación de Suelos AASHTO. El contenido de cemento de la subbase tratada con cemento está basado en las pruebas estándar de laboratorio ASTM de hielo-deshielo y humedecimiento- secado y en los criterios de pérdida de peso de la PCA.
Valor k de la Subrasante pci 4 pulg. 6 pulg. 9 pulg. 10 pulg. 50 170 230 310 390 100 280 400 520 640 200 470 640 830 -
Valor k de la Subbase, pci
Tabla 2. Valores k de Diseño para Subbases Tratadas con Cemento
Capítulo 2 – Factores de Diseño 8
Otros procedimientos que den una calidad equivalente de material pueden ser usados. Los valores k de diseño para subbases tratadas con cemento y que reúnen los criterios antes señalados están dados en la Tabla 2.
En años recientes, se han incrementado el uso de subbases de hormigón pobre. El diseño de espesores de pavimentos de hormigón con estas subbases muy rígidas, representan un caso especial, que es cubierto en el Apéndice B.
Periodo de Diseño
El término periodo de diseño es usado en este texto en vez de vida del pavimento, porque éste útimo no está sujeto a una definición precisa. Algunos ingenieros y agencias de carreteras consideran que la vida de un pavimento de hormigón finaliza cuando se coloca la primera sobrecapa. La vida de los pavimentos de hormigón pueden variar desde menos de 20 años en algunos proyectos con tráfico mayor de lo originalmente estimado o que han tenido defectos de diseño, materiales o construcción defectuosa; a más de 40 años en otros proyectos donde no existan defectos.
El término periodo de diseño es considerado algunas veces como sinónimo del término periodo de análisis de tráfico. Debido a que el tráfico puede no ser predicho con mucha precisión para un periodo largo, comúnmente se utiliza un período de diseño de 20 años en procedimientos de diseño de pavimentos. Sin embargo, existen a menudo casos donde el uso de períodos de diseño más cortos o más largos, pueden ser económicamente justificados, tal como en una carretera de transporte especial que será usada sólo por pocos años, o una construcción muy cara donde se desea un alto nivel de servicio por un periodo largo, con escaso o sin mantenimiento. Algunos ingenieros creen que el periodo de diseño para carreteras rurales y urbanas puede estar en un rango de 30 a 35 años.
El periodo de diseño seleccionado afecta al espesor de diseño, ya que determina
cuántos años, y por lo tanto a cuántos camiones, debe servir el pavimento. La selección de un periodo de diseño para un proyecto específico está basado en criterios ingenieriles y en el análisis económico de los costos del pavimento y los servicios obtenidos en todo el periodo.
Tráfico
La cantidad y los pesos de las cargas axiales pesadas esperadas durante la vida de diseño son los factores principales en el diseño de espesores de pavimentos de hormigón. Estos se derivan de las estimaciones de:
Información sobre el ADT es obtenida de conteos especiales del tráfico o de mapas del volumen de tráfico del estado, del condado, o de ciudades. Este ADT es denominado como el ADT presente o corriente. y, el ADT de diseño es estimado por los métodos comúnmente usados discutidos aquí. Sin embargo, cualquier otro método que dé una estimación razonable del tráfico esperado durante la vida de diseño puede ser utilizado.
Proyección
Un método para obtener el dato del volumen de tráfico (ADT de diseño), requiere el uso de las tasas anuales del crecimiento de tráfico y factores de proyección del tráfico. La Tabla 3 muestra las relaciones entre las tasas anuales de crecimiento y los factores de proyección para períodos de diseño de 20 y 40 años.
En un problema de diseño, el factor de proyección es multiplicado por el ADT presente para obtener el ADT de diseño que representa el valor promedio para el período de diseño. En algunos procedimientos, éste es llamado el
Capítulo 2 – Factores de Diseño 9
promedio anual del tráfico diario (average annual daily traffic - AADT).
Los siguientes factores influyen en las tasas anuales de crecimiento y en las proyecciones del tráfico:
La combinación de efectos origina tasas anuales de crecimiento entre el 2% y 6%. Aproximadamente. Estas tasas corresponden a factores de proyección de tráfico en 20 años son de 1.2 a 1.8 tal como muestra la Tabla 3.
Las secciones de planeamiento de los
departamentos estatales de carreteras, son fuentes muy útiles del conocimiento acerca del crecimiento de tráfico y de los factores de proyección.
Donde exista algún cuestionamiento acerca de la tasa de crecimiento, valores algo altos deben usarse con prudencia. Esto es lógico en rutas que unen ciudades y en proyectos urbanos donde una tasa alta de crecimiento urbano puede causar una tasa mayor que la esperada para el crecimiento del tráfico; a pesar de que el crecimiento del volumen de camiones puede ser menor que para los carros de pasajeros.
Las tasas altas de crecimiento no son aplicables en carreteras rurales de doble vía y en calles residenciales donde la función principal es el uso de la tierra o sirven de límite de propiedad. Sus tasas de crecimiento pueden estar debajo del 2% por año (factores de proyección de 1.1 a 1.3).
Algunos ingenieros sugieren que el uso de una tasa de crecimiento de interés simple puede ser apropiado, en vez de las tasas de interés compuesto, las que cuando son usadas con un período de diseño largo, pueden arrojar un tráfico futuro pesado no real.
Capítulo 2 – Factores de Diseño 11
Estas localizaciones llamadas estaciones de medición de cargas, son seleccionadas cuidadosamente para proporcionar información confiable de la composición del tráfico, pesos de camiones y cargas axiales. Los resultados de las investigaciones son compilados en un juego de tablas donde puede ser determinado el porcentaje de ADTT para las clases de carreteras con que cuenta un estado. Estos trabajos hacen posible calcular el porcentaje ADTT para cada estación. Por ejemplo, una tabla de medida de cargas del departamento de carreteras (Tabla W-3) para los estados del Oeste Medio, produce el siguiente conteo de vehículos para una estación de medida de cargas en su Sistema Rural Interestatal:
Total de vehículos- ADT 9492 Camiones: Total de unidades simples y combinaciones: 1645 Panels y pickups 353 Otras unidades simples 76
Por eso, para esta estación
T = 1645 - (353 + 76) = 1216 ADTT = (1216/9492) x 100 = 13%
Este porcentaje de ADTT debería ser apropiado para el diseño de un proyecto donde los factores que influencian el crecimiento y la composición del tráfico son similares a los de esta estación de medida de cargas.
Otra fuente de información de los porcentajes ADTT, es el Reporte Nacional
de Características de Camiones (National Truck Characteristic Report). La Tabla 4, que es el resultado de este estudio, muestra el porcentaje de las unidades simples de cuatro ruedas y de camiones en los principales sistemas de carreteras en los Estados Unidos. La publicación en uso, que es actualizada periódicamente, muestra que los camiones de ejes dobles y cuatro ruedas están comprendidos entre el 40% y 65% del número total de camiones, con un promedio nacional del 49%. Es probable que los valores bajos en rutas urbanas sean debido a los mayores volúmenes de vehículos de pasajeros antes que los pocos camiones.
Es importante tener presente que los porcentajes ADTT de la Tabla 4, son valores promedio calculados de muchos proyectos en todas las secciones del país. Por esta razón, estos porcentajes son sólo adecuados para diseños de proyectos específicos donde los porcentajes ADTT, son también casi el promedio.
Para propósitos de diseño, se necesita el número de total de camiones en el periodo de diseño. Esto se obtiene mediante el producto del ADT de diseño por el porcentaje de ADTT, multiplicado por el número de días en el período de diseño (365 x cantidad de años).
Para caminos de cuatro carriles o más, el ADTT es ajustado mediante el uso de la Fig. 3 (Derivado de la referencia 35).
Capítulo 2 – Factores de Diseño 12
Fig.3. Proporción de camiones en el carril derecho de una carretera dividida en carriles múltiples.
Distribución Direccional de Camiones
En la mayoría de los problemas de diseño, se asume que los pesos y volúmenes de los camiones que viajan en cada dirección son casi iguales-distribución 50 y 50- y que el pavimento toma en cada dirección la mitad del ADTT total. Esto puede no ser cierto en casos especiales donde la mayoría de los camiones van totalmente
cargados en una dirección y retornan vacíos en la otra dirección. Si tal es el caso, debe hacerse un ajuste apropiado.
Distribución de Cargas por Eje
Los datos de la distribución de cargas por eje del tráfico de camiones son necesarios para computar el número de ejes simples
Tabla 4.
Unid. Simp. 2 ejes 4 ruedas
Camión (ADTT)
Total
Unid. Simp. 2 ejes 4 ruedas
Camión (ADTT)
Total
Interestatal (^14 21 35 8 16 ) Otra Federal Primaria 16 13 29 17 9 26 Federal Secundaria 10 15 25 14 8 22
Tráfico promedio diario rural Tráfico promedio diario urbano
Sistema Vial
Porcentajes de Unidades Simples de Cuatro Ruedas y Camiones (ADTT) en Varios Sistemas de Carreteras
Capítulo 2 – Factores de Diseño 14
Tabla 5.
Carga por eje, Kips
Ejes por 1000 camiones
Ejes por 1000 caminoes
Ejes en el periodo de diseño
Nota:
Columnas 1 y 2:
Columna 3:
Columna 4:
Columna 4 = Columna 3 x (camiones en el periodo de diseño)/1000. Ver el problema de ejemplo Diseño 1, en donde el total de camiones en el periodo de diseño es 10880.000 (en una dirección).
Ejes Simples
Ejes Tandem
Las columnas 1 y 2 se derivan de la Tabla W-4. Esta tabla también muestra un total de 13,216 camiones, con 6,918 camiones de dos ejes cuatro ruedas (52%).
Valores ajustados de la columna 2 para camiones de dos ejes y cuatro ruedas; igual a columna 2/(1-0.52).
Capítulo 3 – Procedimiento de Diseño 15
CAPITULO 3
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
(DATOS DE CARGA POR EJE DISPONIBLES)
Los métodos de este capítulo se usan cuando los datos detallados de distribución de cargas por eje, han sido determinados o estimados como se describe en el Capítulo
La Fig. 4 es una hoja de cálculo que muestra el formato para resolver los problemas de diseño. Se requiere como datos de entrada los siguientes factores discutidos en el capítulo 2.
En la hoja de cálculo se muestran los análisis por fatiga (para controlar el agrietamiento por fatiga) y por erosión (para controlar la erosión de la fundación y bermas, el bombeo y las fallas).
El análisis por fatiga controla usualmente el diseño de los pavimentos de tráfico ligero (calles residenciales y carreteras secundarias independientemente de si las juntas llevan pasajuntas o no) y de los pavimentos de tráfico mediano con juntas con pasajuntas.
El análisis por erosión controla usualmente el diseño de, pavimentos de tráfico mediano -y pesado- con juntas sin pasajuntas (con trabazón de agregados) y pavimentos de tráfico pesado con juntas con pasajuntas.
Para pavimentos que soportan una combinación normal de pesos por eje, las cargas por eje simple son usualmente más
severas en el análisis por fatiga, mientras que las cargas por eje tandem son más severas en el análisis por erosión.
El procedimiento de diseño paso a paso es como sigue: Se establecen los datos de entrada de diseño mostrados en la parte superior de la Fig. 4 y las columnas 1 y 3. Las cargas axiales son multiplicados por el factor de seguridad de carga, para obtener la columna 2.
Análisis por fatiga
Los resultados del análisis por fatiga, así como las cartas y figuras, son los mismos para pavimentos con juntas con pasajuntas y sin pasajuntas, y también para pavimentos continuamente reforzados.
Para pavimentos:
Pasos del procedimiento:
