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

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 el Ing. Erasmo Fernandez Sixto y revisada por el Ing. Germán Vivar Romero presentada en el Seminario “Pavimentos de Concreto” organizado por el Capítulo de Estudiantes de ACI de la Universidad Ricardo Palma de la república del Perú. La traducción de los Ingenieros Fernandez y Palma cuenta con la autorización de la PCA otorgada al Instituto para el Desarrollo de los Pavimentos en el Peru (IDPP) 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, 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. Esta metodología ha evolucionado con el software streetpave que puede consultarse en su sitio oficial: http://www.acpa.org/streetpave/. Otro software importante es DIPAV 2.3 desarrollado por el IBCH bajo la metodología AASHTO. También se cuenta con documentos complementarios como Manuales de Diseño AASHTO-93 y Manuales de Construcción de Pavimentos Rígidos disponibles en el Instituto Boliviano del Cemento y el Hormigón, www.ibch.com.

i

Diseño de Pavimentos de Hormigón – Método PCA

INDICE PROLOGO

i

INDICE

ii

CAPITULO 1

5

INTRODUCCION

5

Aplicaciones de los Procedimientos de Diseño

5

Programas de Cálculo Disponibles

3

Bases para el diseño

3

Versión Métrica

4

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

ii

Diseño de Pavimentos de Hormigón – Método PCA

CAPITULO 3

15

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

15

(DATOS DE CARGA POR EJE DISPONIBLES)

15

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

iii

Diseño de Pavimentos de Hormigón – Método PCA

Variación en la Resistencia del Hormigón

45

Incremento de Resistencia del Hormigón con la Edad.

45

Alabeo y Curvado del Hormigón

46

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

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 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 de comportamiento específico regional o loca en condiciones más favorables o adversas los criterios de diseño pueden se 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

de las subbases y sus requerimientos,

caras agrietadas debajo de las juntas aserradas o formadas. Para que ésta v

Diseño de Pavimentos de Hormigón – Método PCA

transferencia sea efectiva, es necesario que1. El grado de transferencia de cargas en las se use un espaciamiento corto entre juntas. juntas transversales proporcionado por los diferentes tipos de pavimentos descritos. Los pavimentos de hormigón simple con2. El efecto de utilizar una berma de hormigón pasajuntas se construyen sin acero de adyacente al pavimento. Las bermas de refuerzo; sin embargo, se instalan barras hormigón reducen los esfuerzos flexores y lisas de acero liso (denominadas las deflexiones causadas por las cargas. pasajuntas) en cada junta de contracción3. El efecto de usar una subbase de hormigón como elementos de transferencia de cargas, pobre (econocreto), la cual reduce los empleándose espaciamientos relativamente esfuerzos y deflexiones del pavimento cortos entre juntas para controlar el dotando de un soporte considerable cuando agrietamiento. los camiones pasan sobre las juntas y de resistencia a la erosión de la subbase Los pavimentos reforzados contienen causadas por las deflexiones repetidas de además del acero de refuerzo, barras pavimento. pasajuntas para, la transferencia de cargas4. Dos criterios de diseño: (a) fatiga, para en las aberturas de contracción. Estos mantener los esfuerzos del pavimento pavimentos son construidos con debidos a la acción de cargas repetidas espaciamientos de juntas mayores que los dentro de límites seguros previniendo así e usados en pavimentos reforzados. agrietamiento por fatiga; y (b) erosión, para Usualmente se desarrollan una o más limitar los efectos de las deflexiones de fisuras transversales entre las juntas de pavimento en el borde de las losas, juntas y contracción, las cuales se mantienen esquinas controlando así la erosión de la cerradas por el acero de refuerzo, fundación y de los materiales de las bermas consiguiéndose proveer una buena El criterio por erosión es necesario ya que transferencia de cargas. algunas formas de daños del pavimento tales como bombeo, fallas, y daños de las Los espaciamientos de juntas comúnmente bermas no son debidos a la fatiga. usados y que trabajan bien, son de 15 pies5. Los ejes triples pueden ser considerados en para pavimentos de hormigón simple, no el diseño. Mientras que las configuraciones más de 20 pies para pavimentos con convencionales para ejes simples y tandem, pasajuntas y no más de 40 pies para son aún las cargas predominantes en las pavimentos reforzados. Espaciamientos carreteras, el uso de ej es triples (Tridem) mayores a los señalados han sido usados, van en aumento. Ellos se observan en pero a veces son causa de daños en las algunas carreteras para camiones pesados y juntas y de la formación de fisuras en carreteras especiales para transporte de intermedias entre ellas. carbón de piedra u otros minerales. Los ejes tridem pueden ser más dañinos por e Los pavimentos con refuerzo continuo se criterio de erosión (deflexión) que por e construyen sin juntas de contracción. Debido criterio de fatiga. al refuerzo de acero continuo relativamente denso en la dirección longitudinal, ellos La selección de un espesor adecuado está desarrollan fisuras transversales a intervalos condicionado a la elección de otras cercanos. Se desarrolla Un alto grado de características de diseño - sistema de transferencia de cargas en las caras de esas juntas, tipo de subbase si es necesaria, y fisuras, que se mantienen firmemente unidas tipo de berma. Con esas condiciones por el acero de refuerzo. adicionales de diseño, los requerimientos de espesor de diseño alternativos, los cuales Los procedimientos de diseño que se incluyen el costo, pueden ser comparados proporcionan, cubren las condiciones que no directamente. han sido directamente tratadas por otros procedimientos. Estos incluyen el El Capítulo 2 describe como se determinan reconocimiento de: los factores necesarios para resolver un

problema de diseño. El Capitulo 3 detalla e procedimiento de diseño completo usado Capítulo 1 – Introducción

2

Diseño de Pavimentos de Hormigón – Método PCA

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 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

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 esencia examinar la relación de los roles que e 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 de procedimiento de diseño es el criterio aplicado a los valores teóricos computados valores limitantes permisibles de esfuerzos deflexiónes o presiones. Definiendo así e 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 e 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 de 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 de pavimento, su comportamiento, y las experiencias de investigaciones referidas anteriormente incluyendo las relaciones de comportamiento de los pavimentos en la Carretera Experimental AASHO y estudios de la falla de pavimentos.

mixto normal. Capítulo 1 – Introducción

En el Apéndice A y la Referencia 30 se da 3

Diseño de Pavimentos de Hormigón – Método PCA

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.

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

para influenciar en el diseño del espesor de la losa. Las relaciones de los esfuerzos y resistencias de flexión son mucho má altos, excediendo a menudo valores de 0.5 Como resultado, los esfuerzos flexores y l resistencia a la flexión del hormigón so usados en el diseño de espesores. L resistencia a la flexión es determinada mediante pruebas de módulo de rotura realizadas usualmente sobre vigas de 6x6x30-pulg.

Para proyectos específicos, la dosificació del hormigón debería ser diseñada para proporcionar adecuada durabilidad resistencia flexora, al menor costo posible Los procedimientos de diseño de mezcla son descritos en la publicación PCA “Diseño y Control de Mezclas d Concreto”.

El módulo de rotura puede ser obtenid mediante cargas en cantiliver, en un punto central, o en los tercios. Una diferenci 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 otro dos métodos muestran la resistencia en u sólo punto. El valor determinado por e método más conservador de la carga en lo tercios (ASTM C78), es usado para e diseño en éste procedimiento.

Las pruebas de módulo de rotura so comúnmente realizadas a los 7, 14, 28, y 9 días. Los resultados de prueba a los 7 y 1 días son comparados con lo requerimientos de las especificaciones para control de trabajo y para determinar cuándo los pavimentos pueden ser abiertos a

relaciones de los esfuerzos y resistencias de compresión son demasiado pequeños Capítulo 1 – Introducción

tráfico. 4

Diseño de Pavimentos de Hormigón – Método PCA

Los resultados del ensayo a los 28 días han sido comúnmente usados para el diseño de espesores de pavimentos de carreteras y calles, ...