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muy recomendado...

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DISEÑO DE ESPESORES PARA PAVIMENTOS DE HORMIGÓN EN CARRETERAS Y CALLES MÉTODO DE LA PORTLAND CEMENT ASSOCIATION

DOCUMENTO PREPARADO POR INSTITUTO BOLIVIANO DEL CEMENTO Y EL HORMIGÓN PARA EL MINISTERIO DE TRANSPORTES Y OBRAS PÚBLICAS DEL ECUADOR

Diseño de Pavimentos de Hormigón – Método PCA

DISEÑO DE ESPESORES PARA PAVIMENTOS DE HORMIGÓN EN CARRETERAS Y CALLES MÉTODO DE LA PORTLAND CEMENT ASSOCIATION

PROLOGO El presente documento es una traducción del libro “Thickness Design for Concrete Highway and Street Pavements” editado por la “Portland Cement Association de los Estados Unidos de Norte América, en 1984 y cuya reimpresión se realizó en 1995. Como apoyo, se ha utilizado una traducción realizada por la Universidad Ricardo Palma de la República de Perú, cuyo autor fue el Ing. Erasmo Fernandez y que ha servido de base para la presente edición. A pesar del tiempo transcurrido, el método aquí presentado ha tenido muy pocas variaciones y constituye una alternativa al Método AASHTO. El uso de este documento se basa en ábacos y tablas que se incluyen, pero ha sido automatizado primero con el programa “pcapav” que ha sido superado por “street pave” actualmente en uso y al cual se puede acceder mediante internet. El Instituto Boliviano del Cemento y el Hormigón, conforme al Contrato de Asesoramiento Técnico en Pavimentos Rígidos y Mezclas con Ligantes Hidráulicos suscrito con el MTOP, ha preparado el presente manual como una alternativa para el método de diseño de pavimentos AASHTO-93 y además para incorporar conceptos como los de erosión y fatiga que son muy importantes para la comprensión del complejo comportamiento de los pavimentos. Estamos seguros que esta publicación será de utilidad y servirá de manual de consulta para profesionales y estudiantes. Complementada con los manuales de diseño de pavimentos nuevos y sobrecarpetas de AASHTO y el software DIPAV- 2 facilitará en gran medida la optimización en el diseño de pavimentos en la república del Ecuador.

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Diseño de Pavimentos de Hormigón – Método PCA

INDICE PROLOGO

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INDICE

ii

CAPITULO 1

1

INTRODUCCION

1

Aplicaciones de los Procedimientos de Diseño

1

Programas de Cálculo Disponibles

2

Bases para el diseño

3

Versión Métrica

3

CAPITULO 2

4

FACTORES DE DISEÑO

4

Resistencia del Hormigón a la Flexión

4

Soporte de la Subrasante y Subbase

5

Periodo de Diseño

8

Tráfico

8

Proyección

8

Capacidad

10

ADTT (Average Daily Truck Traffic - Tráfico Diario Promedio de Camiones)

10

Distribución Direccional de Camiones

12

Distribución de Cargas por Eje

12

Factores de Seguridad de Carga

13

CAPITULO 3

15

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

15

(DATOS DE CARGA POR EJE DISPONIBLES)

15 ii

Diseño de Pavimentos de Hormigón – Método PCA

Análisis por fatiga

15

Análisis por Erosión

16

Problemas Ejemplo

16

Cálculos del espesor:

19

Diseño 2

27

CAPITULO 4

30

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO SIMPLIFICADO

30

(DATOS DE CARGA POR EJE, NO DISPONIBLES)

30

Problemas Ejemplo

32

Diseño 3

32

Diseño 4

33

Comentarios Sobre el Procedimiento Simplificado

33

Módulo de Rotura

33

Periodo de Diseño

40

Juntas con Pasajuntas ó con Trabazón de Agregados

40

Tablas de Diseño Desarrolladas por el Usuario

40

APENDICE A

42

DESARROLLO DEL PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

42

Análisis de Pavimentos de Hormigón

42

Pavimentos con Juntas

42

Pavimentos Continuamente Reforzados

43

Posición de las Cargas del Camión

44

Variación en la Resistencia del Hormigón

45

Incremento de Resistencia del Hormigón con la Edad.

45

Alabeo y Curvado del Hormigón

46

iii

Diseño de Pavimentos de Hormigón – Método PCA

Fatiga

46

Erosión

47

APENDICE B

49

DISEÑO DE PAVIMENTOS DE HORMIGÓN CON CAPA INFERIOR (SOLADO) DE HORMIGÓN POBRE 49 Subbase de Hormigón Pobre

49

Pavimento Monolítico

52

APENDICE C

54

ANALISIS DE CARGAS AXIALES TRIDEM

54

APÉNDICE D

58

ESTIMACIÓN DEL VOLUMEN DE TRÁFICO POR CAPACIDAD

58

Capacidad ADT en Carreteras de Multiples Carriles

58

Capacidad de Carreteras de dos Carriles

60

iv

Diseño de Pavimentos de Hormigón – Método PCA

CAPITULO 1 INTRODUCCION La presente publicación se refiere al Método de la Portland Cement Association de los• Estados Unidos, para determinar los espesores de losas que sean apropiados para soportar las cargas de tráfico en calles, caminos y carreteras de hormigón. El propósito de diseño es el mismo que para• otras estructuras de ingeniería: obtener el espesor mínimo que resultará en el costo anual más bajo, para los costos de inversión inicial y de mantenimiento. Si el espesor es mayor de lo necesario, el pavimento prestará un buen servicio con bajos costos de mantenimiento, pero el costo de inversión inicial será alto. Si el espesor no es el adecuado, los costos prematuros y elevados de mantenimiento e interrupciones en el tráfico sobrepasarán los bajos costos iníciales. Una correcta ingeniería requiere que los diseños de espesores, balanceen apropiadamente el costo inicial y los costos de mantenimiento. Mientras que esta publicación se centra en el tópico del diseño de espesores, otros aspectos de diseño son igualmente importantes para asegurar el buen funcionamiento y la duración del pavimento de hormigón. Estos son: •

•

•

Provisión para un soporte razonablemente uniforme. (Ver la publicación de PCA: Subrasantes y Subbases para Pavimentos de Hormigón.) Prevención del “bombeo” o expulsión de lodo en el caso de subbases relativamente delgadas, ya sean tratadas o no tratadas con cemento, en caso que el tráfico esperado de camiones sea suficientemente grande como para causarlo. (La necesidad de las subbases y sus requerimientos, también se proporcionan en el folleto antes citado.) Uso de un diseño de juntas que garantice una adecuada transferencia de cargas y facilite el uso de sellos si son requeridos para hacerlas efectivas, prevenga daños de las mismas debido a filtraciones. (Ver la publicación de PCA: Diseño de Juntas para Capítulo 1 – Introducción

Pavimentos de Hormigón de Carreteras y Calles.) Uso de un diseño de mezclas y agregados que proporcionen un hormigón de buena calidad, con la resistencia y durabilidad necesarias, bajo las condiciones actuales de exposición. (Ver Diseño y Control de Mezclas de Hormigón) Los criterios de diseño de espesores sugeridos están basados en la experiencia del comportamiento general de pavimentos. Si se dispone de experiencia del comportamiento específico regional o local en condiciones más favorables o adversas, los criterios de diseño pueden ser apropiadamente modificados. Estas condiciones particulares pueden ser de clima, suelos o drenaje e innovaciones futuras en los diseños. Aplicaciones de los Procedimientos de Diseño Los procedimientos de diseño dados en este texto se aplican a los siguientes tipos de pavimentos de hormigón: simple, simple con pasajuntas, con refuerzo discontinuo, y con refuerzo continuo. Los pavimentos de hormigón simple se construyen sin acero de refuerzo y sin barras pasajuntas en las juntas (dowels). La transferencia de cargas es obtenida por una trabazón (interlock) de agregados entre las caras agrietadas debajo de las juntas aserradas o formadas. Para que ésta transferencia sea efectiva, es necesario que se use un espaciamiento corto entre juntas. Los pavimentos de hormigón simple con pasajuntas se construyen sin acero de refuerzo; sin embargo, se instalan barras lisas de acero liso (denominadas pasajuntas) en cada junta de contracción como elementos de transferencia de cargas, empleándose espaciamientos relativamente cortos entre juntas para controlar el agrietamiento. Los pavimentos reforzados contienen además del acero de refuerzo, barras 1

Diseño de Pavimentos de Hormigón – Método PCA

pasajuntas para, la transferencia de cargas4. 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.

Dos criterios de diseño: (a) fatiga, para mantener los esfuerzos del pavimento debidos a la acción de cargas repetidas, dentro de límites seguros previniendo así el agrietamiento por fatiga; y (b) erosión, para limitar los efectos de las deflexiones del pavimento en el borde de las losas, juntas y esquinas controlando así la erosión de la fundación y de los materiales de las bermas. El criterio por erosión es necesario ya que algunas formas de daños del pavimento tales como bombeo, fallas, y daños de las bermas no son debidos a la fatiga. Los espaciamientos de juntas comúnmente usados y que trabajan bien, son de 15 pies5. Los ejes triples pueden ser considerados en el diseño. Mientras que las configuraciones para pavimentos de hormigón simple, no convencionales para ejes simples y tandem, más de 20 pies para pavimentos con son aún las cargas predominantes en las pasajuntas y no más de 40 pies para carreteras, el uso de ejes triples (Tridem) pavimentos reforzados. Espaciamientos van en aumento. Ellos se observan en mayores a los señalados han sido usados, algunas carreteras para camiones pesados y pero a veces son causa de daños en las juntas y de la formación de fisuras en carreteras especiales para transporte de carbón de piedra u otros minerales. Los ejes intermedias entre ellas. tridem pueden ser más dañinos por el criterio de erosión (deflexión) que por el Los pavimentos con refuerzo continuo se criterio de fatiga. construyen sin juntas de contracción. Debido al refuerzo de acero continuo relativamente La selección de un espesor adecuado está denso en la dirección longitudinal, ellos condicionado a la elección de otras desarrollan fisuras transversales a intervalos características de diseño - sistema de cercanos. Se desarrolla Un alto grado de juntas, tipo de subbase si es necesaria, y transferencia de cargas en las caras de esas tipo de berma. Con esas condiciones fisuras, que se mantienen firmemente unidas adicionales de diseño, los requerimientos de por el acero de refuerzo. espesor de diseño alternativos, los cuales incluyen el costo, pueden ser comparados Los procedimientos de diseño que se directamente. proporcionan, cubren las condiciones que no han sido directamente tratadas por otros El Capítulo 2 describe como se determinan procedimientos. Estos incluyen el los factores necesarios para resolver un reconocimiento de: problema de diseño. El Capitulo 3 detalla el procedimiento de diseño completo usado, 1. El grado de transferencia de cargas en las cuando los datos específicos de la juntas transversales proporcionado por los distribución de carga por eje son conocidos diferentes tipos de pavimentos descritos. u obtenidos. Si los datos detallados de las 2. El efecto de utilizar una berma de hormigón cargas por eje no están disponibles, el adyacente al pavimento. Las bermas de diseño puede ser realizado como se hormigón reducen los esfuerzos flexores y describe en el Capitulo 4, mediante la las deflexiones causadas por las cargas. selección de una o varias categorías de 3. El efecto de usar una subbase de hormigón datos representativos de pavimentos, pobre (econocreto), la cual reduce los variando desde calles residenciales hasta esfuerzos y deflexiones del pavimento, carreteras interestatales. dotando de un soporte considerable cuando los camiones pasan sobre las juntas y de Programas de Cálculo Disponibles resistencia a la erosión de la subbase causadas por las deflexiones repetidas del pavimento. Los problemas de diseño de espesores, pueden ser resueltos manualmente con las Capítulo 1 – Introducción

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Diseño de Pavimentos de Hormigón – Método PCA

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: 1. Estudios teóricos del comportamiento de las losas del pavimento realizados por Westergaard, Picket y Ray, y recientes análisis de cómputo desarrollados por elementos finitos, uno de los cuales es usado como la base para éste procedimiento de diseño. 2. Pruebas y modelos a escala natural tales como los Ensayos en Arlington y varios proyectos de investigación conducidos por la PCA y otras agencias sobre subbases, juntas y bermas de hormigón. 3. Pavimentos experimentales sujetos a pruebas de tráfico controlado, tales como los siguientes tramos Carreteros Experimentales (Road Test): Bates; Pittsburg; Maryland; AASHO y estudios de pavimentos de carreteras en servicio realizados por varios departamentos estatales de transporte. 4. El comportamiento de pavimentos construidos normalmente, sujetos a tráfico mixto normal. 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

Capítulo 1 – Introducción

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.

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Diseño de Pavimentos de Hormigón – Método PCA

CAPITULO 2 FACTORES DE DISEÑO Después de seleccionar el tipo de pavimento de hormigón (pavimento simple con ó sin pasajuntas, pavimento reforzado con juntas con pasajuntas, o pavimento continuamente reforzado), tipo de subbase si es necesaria, y tipo de berma (con ó sin berma de hormigón, sardinel y cuneta o sardinel integral); el espesor de diseño es determinado en base a los cuatro factores siguientes: 1. Resistencia del hormigón a la flexión (módulo de rotura MR). 2. Resistencia de la subrasante, ó subrasante y subbase combinadas (k). 3. Los pesos, frecuencias, y tipos de cargas axiales de camión que el pavimento soportará. 4. El periodo de diseño, que en éste y otros procedimientos usualmente es considerado como de 20 años, pudiendo ser más ó menos. Estos factores de diseño son discutidos con más detalle en las secciones siguientes. Otras consideraciones de diseño incorporadas al procedimiento son tratadas en el Apéndice A. Resistencia del Hormigón a la Flexión La resistencia del hormigón a la flexión es considerada en el procedimiento de diseño mediante el criterio de fatiga, que controla el agrietamiento del pavimento bajo las cargas repetitivas de camiones. El pandeo de un pavimento de hormigón bajo cargas axiales produce esfuerzos de compresión y flexión. Sin embargo, las relaciones de los esfuerzos y resistencias de compresión son demasiado pequeños para influenciar en el diseño del espesor de la losa. Las relaciones de los esfuerzos y resistencias de flexión son mucho más altos, excediendo a menudo valores de 0.5. Como resultado, los esfuerzos flexores y la resistencia a la flexión del hormigón son usados en el diseño de espesores. La resistencia a la flexión es determinada Capítulo 2 – Factores de Diseño

mediante pruebas de módulo de rotura, realizadas usualmente sobre vigas de 6x6x30-pulg. Para proyectos específicos, la dosificación del hormigón debería ser diseñada para proporcionar adecuada durabilidad y resistencia flexora, al menor costo posible. Los procedimientos de diseño de mezclas son descritos en la publicación PCA “Diseño y Control de Mezclas de Concretó”. El módulo de rotura puede ser obtenido mediante cargas en cantiliver, en un punto central, o en los tercios. Una diferencia importante en estos métodos de prueba es, que la prueba de la carga en los tercios da la mínima resistencia en el tercio central de la viga ensayada, mientras que los otros dos métodos muestran la resistencia en un sólo punto. El valor determinado por el método más conservador de la carga en los tercios (ASTM C78), es usado para el diseño en éste procedimiento. Las pruebas de módulo de rotura son comúnmente realizadas a los 7, 14, 28, y 90 días. Los resultados de prueba a los 7 y 14 días son comparados con los requerimientos de las especificaciones para control de trabajo y para determinar cuándo los pavimentos pueden ser abiertos al tráfico. Los resultados del ensayo a los 28 días han sido comúnmente usados para el diseño de espesores de pavimentos de carreteras y calles, y son los recomendados para usar con este procedimiento; los resultados a los 90 días son usados para el diseño de pistas de aterrizaje. Estos valores son usados debido a que hay muy pocas repeticiones de esfuerzo durante los primeros 28 a 90 días de la vida del pavimento en comparación con los millones de repeticiones de esfuerzo que ocurrirán más tarde. El hormigón continúa adquiriendo mayor resistencia con la edad tal como muestra la 4