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DISEÑO DE PAVIMENTOS PAVIMENTOS 1. Con Superfici Superficiee de Rodadura Rodadura Pavimentad Pavimentadaa En el presente presente proyecto proyecto se considera considera la ejecución ejecución de un pavimento rígido, conformado conformado por losas monolíticas a base de concreto hidráulico el cual se apoyara sobre una sub base compactada de 20 cm de espesor. Para la ejecución de la losa monolítica se empleara concreto hidráulico de cemento portland.
. DISEÑO DISEÑO DE PAVI PAVIMENTO MENTO R!"IDO R!"IDO M#TODO M#TODO AAS$T AAS$TO O %& Pro'ecto( )CREACION DE PISTAS * VEREDAS A+ ACCESO DE P+A,A C-RICACA * AD*ACENTES DE DISTRITO DE C-RICACA / 0A-0A/0-NIN El pavimento se diseara empleando la metodología !!"#$% & '( para un periodo de diseo de 20 aos.
2a3e "ranu4ar )a base granular estará constituida de materiales granulares de cantera, procesados para obtener las características *ue satisfagan las Especificaciones $+cnicas $+cnicas con - mínimo de /0 para el 100 de la 3".
+o3a de Concreto $idr5u4ico 3ada las condiciones climáticas de la 4ona de proyecto se ha propuesto la ejecución de pavimento rígido a base de concreto hidráulico de f5c 6 210 7g8cm2.
.1 DISEÑO MEDIANTE M#TODO M#TODO AAS$TO AAS$TO 6PAVIMENT 6PAVIMENTO O R!"IDO7 DE8INICI9N 9n pavimento pavimento de concreto concreto o pavimento pavimento rígido rígido consist consiste e básicamen básicamente te en
una losa losa de
concreto simple o armado, apoyada directamente sobre una base o subbase. )a losa, debido a su rigide4 y alto módulo de elasticidad, absorbe gran parte de los esfuer4os *ue se ejercen sobre el pavimento lo *ue produce una buena distribución de las cargas de rueda, dando como resultado tensiones muy bajas en la subrasante. $odo lo contrario sucede en los pavimentos fle:ibles, *ue al tener tener
menor menor rigide4 rigide4,, transmite transmiten n los esfuer esfuer4os 4os hacia hacia las las capas capas inferiore inferioress lo cual trae como como
consecue consecuencia nciass m a y o r e s tension tensiones es en la subrasa subrasante, nte, como se pude pude apreci apreciar ar en la figura figura 1.1. 1.1.
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8i:ura 1.1 E3;uema de4 comportamiento de pavimento3 )os elementos *ue conforman un pavimento rígido son; subrasante, subbase y la losa de concreto. ! continuación se hace una breve descripción de cada uno de los elementos *ue conforman el pavimento rígido.
Su
?@ de reacción de la subrasante.
inimi4ar los efectos dainos de la acción de las heladas.
Proveer drenaje cuando sea necesario.
Proporcionar una plataforma de trabajo para los e*uipos de construcción.
+o3a )a losa es de concreto de cemento portland. El factor mínimo de cemento debe determinarse en base a ensayos de laboratorio y por e:periencia previas de resistencia y durabilidad.
"e
deberá
usar
concreto
con
aire
incorporado
donde
sea
necesario
proporcionar resistencia al deterioro superficial debido al hielo&deshielo, a las sales o para mejorar
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la trabajabilidad de la me4cla.
. TIPOS DE PAVIMENTO DE CONCRETO )os diversos tipos de pavimentos de concreto pueden ser clasificados, en orden de menor a mayor costo inicial, de la siguiente manera;
Pavimentos de concreto simple. & "in pasadores. & on pasadores.
Pavimentos de concreto refor4ado con juntas
Pavimentos de concreto con refuer4o continAo.
.& 0-NTAS )a función de las juntas consiste en mantener las tensiones de la losa provocadas por la contracción y e:pansión del pavimento dentro de los valores admisibles del concreto< o disipar tensiones debidas a agrietamientos inducidos debajo de las mismas losas. "on muy importantes para garanti4ar la duración de la estructura, siendo una de las pautas para calificar la bondad de un pavimento. Por otro lado, deben ser rellenadas con materiales apropiados, utili4ando t+cnicas constructivas específicas. En consecuencia, la conservación y oportuna reparación de las fallas en las juntas son decisivas para la vida Atil de un pavimento. 3e acuerdo a su ubicación respecto de la dirección principal o eje del pavimento, se denominan como longitudinales y transversales. "egAn la función *ue cumplen se les denomina de contracción, articulación, construcción e:pansión y aislamiento. "egAn la forma, se les denomina, rectas, machihembradas y acanaladas.
.&.1
0-NTAS DE CONTRACCI9N "u objetivo es inducir en forma ordenada la ubicación del agrietamiento del pavimento causada por la contracción >retracción@ por secado y8o por temperatura del concreto. "e emplea para reducir la tensión causada por la curvatura y el alabeo de losas.
.= SE++OS )a función principal de un sellador de juntas es minimi4ar la infiltración de agua a la estructura del pavimento y evitar la intrusión de materiales incompre sibles dentro de las juntas *ue pueden causar la rotura de +stas >descascaramientos@. En la selección del sello se debe considerar su vida Atil esperada, el tipo se sello, tipo de junta,
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datos climáticos y el costo de control de tránsito en cada aplicación del sello, en todo el período económico de análisis. El tipo de junta es muy influyente en la selección del material de sello. )as juntas longitudinales entre pistas o en la unión berma&losa no generan las mismas tensiones sobre el sello *ue ejercen las juntas transversales, debido a *ue sus movimientos son considerablemente menores. "e podría optimi4ar enormemente el costo del proyecto considerando esto en la selección del sello. $odo material de sellos de juntas de pavimentos de conc reto, deben cumplir con las siguientes características;
=mpermeabilidad
3eformabilidad
esiliencia
!dherencia
esistencia
Estable
3urable
Binalmente, el sellado se hará antes de la entrega al tránsito y previa limpie4a de la junta, con la finalidad de asegurar un servicio a largo pla4o del sellador. )os siguientes puntos son esenciales para las tareas de sellado;
=nmediatamente antes de sellar, se deben limpiar las juntas en forma integral para librarlas de todo resto de lechada de cemento, compuesto de curado y demás materiales e:traos.
Parta limpiar la junta, se puede usar arenado, cepillo de alambre, chorro de agua o alguna combinación de estas herramientas. )as caras de la junta se pueden imprimar inmediatamente despu+s de la limpie4a.
Es necesario usar el soplado con aire como paso final de la limpie4a. abe mencionar *ue la limpie4a solo se hará sobre la cara donde se adherirá el sellador.
&.
8ACTORES DE DISEÑO El diseo del pavimento rígido involucra el análisis de diversos factores; tráfico, drenaje, clima, características de los suelos, capacidad de transferencia de carga, nivel de serviciabilidad deseado, y el grado de confiabilidad al *ue se desea efectuar el diseo acorde con el grado de importancia de la carretera. $odos estos factores son necesarios para predecir un comportamiento confiable de la estructura del pavimento y evitar *ue el dao del pavimento
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alcance el nivel de colapso durante su vida en servicio. )a ecuación fundamental !!"#$% C '( para el diseo de pavimentos rígidos es;
log (W ) 10 18
=
Z R
×S
o
+
7.35 × log (D 10
+ 1) −
0.06
+
log 10 1+
ΔPSI 4. 5 − 1 .5 1624x10
(D
7
+
( 4.22 − 0.32 p )log t 10
8.46
+ 1)
0.75 − 1.132) S'CCd ( D 215.03 J D 0.75 − 18.42 0.25 Ec k
3ónde;
>1? 6 DAmero de cargas de 1 7ips >0 7D@ previstas. ,R 6
Es el valor de F >área bajo la curva de distribución@ correspondiente a la curva
estandari4ada, para una confiabilidad .
S@ 6 3esvío estándar de todas las variables. D
6 Espesor de la losa del pavimento en pulgadas
PSI 6 P+rdida de serviciabilidad prevista en el diseo. Pt 6 "erviciabilidad final. G
S
0
6 oeficiente de transferencia de carga.
6 ódulo de rotura del concreto en psi.
Cd 6 oeficiente de drenaje. EC 6 ódulo de elasticidad del concreto, en psi. B
6 ódulo de reacción de la subrasante >coeficiente de balastro@, en pci >psi8pulg@.
Para una mejor descripción de las variables, +stas se han clasificado de la siguiente
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manera;
Varia<4e3 de di3eo. Esta categoría se refiere al grupo de criterios *ue debe ser considerado para el procedimiento de diseo.
Criterio de comportamiento. epresenta el grupo de condiciones de fronteras especificado por el usuario, dentro del *ue un alternativa de diseo deberá comportarse.
Propiedade3 de 4o3 materia4e3 para e4 di3eo e3tructura4. Esta categoría cubre todas las propiedades de los materiales del pavimento y del suelo de fundación, re*ueridas para el diseo estructural.
Caracter3tica3 e3tructura4e3. "e refiere a ciertas características físicas de la estructura del pavimento, *ue tienen efecto sobre su comportamiento.
&.1 VARIA2+ES DE DISEÑO &.1.1
VARIA2+ES DE TIEMPO "e consideran dos variables; período de análisis y vida Atil del pavimento. )a vida Atil se refiere al tiempo transcurrido entre la puesta en operación del camino y el momento en el *ue el pavimento re*uiera rehabilitarse, es decir, cuando +ste alcan4a un grado de serviciabilidad mínimo. El período de análisis se refiere al período de tiempo para el cual va a ser conducido el análisis, es decir, el tiempo *ue puede ser cubierto por cual*uier estrategia de diseo. Para el caso en el *ue no se considere rehabilitaciones, el período de análisis es igual al período de vida Atil< pero si se considera una planificación por etapas, es decir, una estructura de pavimento seguida por una o más operaciones de rehabilitación, el período de análisis comprende varios períodos de vida Atil, el del pavimento y el de los distintos refuer4os. Periodo de análisis o diseo
&.1.
20 aos
TRNSITO En el m+todo !!"#$% los pavimentos se proyectan para *ue +stos resistan determinado nAmero de cargas durante su vida Atil. El tránsito está compuesto por vehículos de diferente peso y nAmero de ejes *ue producen diferentes tensiones y deformaciones en el pavimento, lo cual origina distintas fallas en +ste. Para tener en cuenta esta diferencia, el tránsito se transforma a un nAmero de cargas por eje simple e*uivalente de 1 7ips >0 7D@ ó E"!) >E*uivalent "ingle !:le )oad@, de tal manera *ue el efecto daino de cual*uier eje pueda ser representado por un nAmero de cargas por eje simple. )a información de tráfico re*uerida por la ecuación de diseo utili4ado en este m+todo son;
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cargas por eje, configuración de ejes y nAmero de aplicaciones.
&.1.&
CON8IA2I+IDAD )a confiabilidad es la probabilidad de *ue el pavimento se complete satisfactoriamente durante su vida Atil o periodo de diseo, resistiendo las condiciones de tráfico y medio ambiente. abe resaltar *ue cuando hablamos del comportamiento del pavimento nos referimos a la capacidad estructural y funcional de este, es decir, a la capacidad de soportar las cargas impuestas por el tránsito, y asimismo brindar seguridad y confort dentro al usuario durante el periodo para el cual fue diseado. Por lo tanto, la confiabilidad está asociada a la aparición de fallas en el pavimento. Es fácil deducir *ue si el nAmero de E"!)s previstos es menor *ue el nAmero de E"!)s reales, la vida Atil del pavimento se acortará. Por lo tanto, la variabilidad en el diseo, en la construcción afecta en gran medida la bondad de un diseo, por ejemplo;
•
)a variación en las propiedades de los materiales a lo largo del pavimento, produce como resultado una variación en el desarrollo de fallas y rugosidades en ese pavimento. )as fallas locali4adas en 4onas d+biles, dan como resultado una disminución en la vida Atil del pavimento.
•
)a variación de la ubicación de los pasadores en las juntas y profundidad de colocación de la armadura da como resultado una variación en el desarrollo de
fallas y
rugosidades.
•
)a variación entre los datos de diseo del pavimento y los reales puede significar un aumento o disminución de la vida Atil del mismo.
Es por esto *ue se necesario una variable >"0 C 3esviación Estándar@ *ue acote la variabilidad de todos +stos factores dentro de unos límites permisibles, con el fin de asegurar *ue la estructura del pavimento se comporte adecuadamente durante su período de diseo. )a desviación estándar es la desviación de la población de valores obtenidos por !!"#$% *ue involucra la variabilidad inherente a los materiales y a su proceso constructivo. En la tabla 1.2 se muestran valores para la desviación estándar.
Va4ore3 para 4a de3viaciFn e3t5ndar
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CONDICI9N DE DISEÑO Hariación en la predicción del comportamiento del pavimento.
DESVIACI9N Pavimento r:ido 0.(I
Para la selección del nivel de confiabilidad debe tenerse en cuenta dos aspectos;
a7 "rado de importancia de 4a carretera $iene *ue ver con el uso esperado de la carretera. !sí, para carreteras principales el nivel de confiabilidad es alto, ya *ue un subdimensionamiento del espesor del pavimento traerá como consecuencia *ue +ste alcance los niveles mínimos de serviciabilidad antes de lo previsto, debido al rápido deterioro *ue e:perimentará la estructura. En la tabla 1.( se dan niveles de confiabilidad aconsejados por la !!"#$%.
Ta<4a 1.& Nive4e3 de Confiacomportamiento funcional@, cuando +ste circula por la vialidad. $ambi+n se relaciona con las características físicas *ue puede presentar el pavimento como grietas, fallas, peladuras, etc, *ue podrían afectar la capacidad de soporte de la estructura >comportamiento estructural@. El concepto de serviciabilidad está basado en cinco aspectos fundamentales resumidos
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como sigue;
•
)as carreteras están hechas para el confort y conveniencia del pAblico
•
usuario. El confort, o calidad de la transitabilidad, es materia de una respuesta subjetiva de la
•
opinión del usuario. )a serviciabilidad puede ser e:presada por medio de la calificación hecha por los
•
usuarios de la carretera y se denomina la calificación de la serviciabilidad. E:isten características físicas de un pavimento *ue pueden ser medidas objetivamente y *ue pueden relacionarse a las evaluaciones subjetivas. Este
•
procedimiento produce un índice de serviciavilidad objetivo. El comportamiento puede representarse por la historia de la serviciabilidad del pavimento.
uando el conductor circula por primera ve4 o en repetidas ocasiones sobre una vialidad, e:perimenta la sensación de seguridad o inseguridad dependiendo de lo *ue ve y del grado de dificultad para controlar el vehículo. El principal factor asociado a la seguridad y comodidad del usuario es la calidad de rodamiento *ue depende de la regularidad o rugosidad superficial del pavimento. )a valoración de este parámetro define el concepto de Jndice de "erviciabilidad Presente >P"=, por sus siglas en ingles@. El P"= califica a la superficie del pavimento de acuerdo a una escala de valores de 0 a I. laro está, *ue si el usuario observa agrietamient os o deterioros sobre la superficie del camino aAn sin apreciar deformaciones, la clasificación decrece. El diseo estructural basado en la serviciabilidad, considera necesario determinar el índice de serviciabilidad inicial >P0@ y el índice de serviciabilidad final >Pt@, para la vida Atil o de diseo del pavimento.
a7 !ndice de 3erviciaP 0@ se establece como la condición original del pavimento inmediatamente despu+s de su construcción o rehabilitación. !!"#$% estableció para pavimentos rígidos un valor inicial deseable
de /.I, si es *ue no se tiene información
disponible para el diseo.
Po /.I0
C4a3ificaciFn alles residenciales y estacionamientos
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<7 !ndice de 3erviciaP t@, ocurre cuando la superficie del pavimento ya no cumple con las e:pectativas de comodidad y seguridad e:igidas por el usuario. 3ependiendo de la importancia de la vialidad, pueden considerarse los valores Pt indicados en la tabla 2.00.
!ndice de 3erviciatiempo@ no está claramente definido. "in embargo, en la mayoría de los casos es un factor negativo neto *ue contribuye a la reducción de la serviciabilidad. El efecto del medio ambiente considera situaciones donde se encuentran arcillas e:pansivas o levantamientos por helada.
&.& PROPIEDADES DE +OS MATERIA+ES &.&.1 M9D-+O DE REACCI9N DE +A S-2RASANTE 6B7 Este factor nos da idea de cuánto se asienta la subrasante cuando se le aplica un esfuer4o de compresión. Dum+ricamente, es igual a la carga en libras por pulgada cuadrada sobre un área de carga, dividido por la defle:ión en pulgadas para esa carga. )os valores de 7 son e:presados como libras por pulgada cuadrada por pulgada >pci@. Puesto *ue la prueba de carga sobre placa, re*uiere tiempo y es costosa, el valor de 7 es estimado generalmente por correlación con otros ensayos simples, tal como la ra4ón de soporte california >-@ o las pruebas de valores . El resultado es válido por*ue no se re*uiere la determinación e:acta del valor 7< las variaciones normales para un valor estimado no afectarán apreciablemente los re*uerimientos de espesores del pavimento. )as relaciones de la siguiente figura son satisfactorias para propósitos de diseo.
&.&.
M9D-+O DE ROT-RA DE+ CONCRETO
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Es un parámetro muy importante como variable de entrada para el diseo de pavimentos rígidos, ya *ue va a controlar el agrietamiento por fatiga del pavimen to, originado por las cargas repetitivas de camiones. "e le conoce tambi+n como resistencia a la tracción del concreto por fle:ión. El módulo de rotura re*uerido por el procedimiento de diseo es el valor medio determinado despu+s de 2 días utili4ando el ensayo de carga en los tercios. 3e esta manera, se obtiene en el tercio medio una 4ona sometida a un momento flector constante igual a P)8( y la rotura se producirá en cual*uier punto de este tercio medio con la Anica condición *ue e:ista allí una debilidad. Este ensayo es recomendable frente al ensayo de carga en el punto medio, en el cuál la rotura se producirá indefectiblemente en dicho punto >punto de aplicación de la carga@ donde el momento flector es má:imo. El módulo de rotura tambi+n se puede determinar a trav+s de las siguientes correlaciones; Estimación a trav+s de la resistencia a compresión del concreto "5c 6 7>[email protected]
LM7M12
3onde; f5c 6 esistencia a compresión del concreto en psi Estimación a trav+s de la resistencia a la tracción indirecta "5c 6 210N1.02=$ 3onde; =$ 6 $racción indirecta medida en las probetas e n psi. )os valores del módulo de rotura varían entre 2. Pa >/00 psi@ y /. Pa >L00 psi@, llegando incluso a valores de .2 Pa >1200 psi@, en concretos con alta resistencia inicial.
&.&.&
M9D-+O DE E+ASTICIDAD DE+ CONCRETO Es un parámetro *ue indica la rigide4 y la capacidad de distribuir cargas *ue tiene una losa de pavimento. Es la relación entre la tensión y la deformación. )as defle:iones, curvaturas y tensiones están directamente relacionadas con el módulo de elasticidad del concreto. En los pavimentos de concreto armado continuo, el módulo de elasticidad junto con el coeficiente de e:pansión t+rmica y el de contracción del concreto, son los *ue rigen el estado de tensiones en la armadura. Para concreto de peso normal, el =nstituto del oncreto !mericano sugirió; E 6 IL000>[email protected] c
G 3onde Ec y f están dados en psi
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&.= CARACTER!STICAS ESTR-CT-RA+ES &.=.1
DRENA0E El proceso mediante el cual el agua de infiltración superficial o agua de filtración subterránea es removida de los suelos y rocas por medios natur ales o artificiales, se llama drenaje. El drenaje es uno de los factores más importantes en el diseo de pavimentos. El agua es el causante principal del deterioro de la estructura del pavimento, por*ue origina muchos efectos devastadores en +l< siendo el peor, la p+rdida de soporte del pavimento. Para minimi4ar los efectos del agua sobre los pavimentos se debe;
•
Prevenir el ingreso del agua al pavimento >drenaje superficial@.
•
Proveer de un drenaje para remover el agua rápidamente >drenaje subterráneo@.
•
onstruir un pavimento suficientemente fuerte para resistir el efecto combinado de carga y agua.
Va4ore3 recomendado3 de4 coeficiente de drenaHe 6Cd7 para e4 di3eo Cd
$iempo para
*ue
transcurrido Porcentaje de tiempo en *ue la estructura del pavimento el
suelo está e:puesta a niveles de humedad cercanas a la
libere el I0 de su saturación. alificación 2I agua libre egular 1 semana 0.'0 Para un drenaje e:celente, la !!"#$% & '( e:ige *ue el agua sea removida dentro de 2 horas.
&.=.
TRANS8ERENCIA DE CAR"A )as cargas de tránsito deben ser transmitidas de una manera eficiente de una losa a la siguiente para minimi4ar las defle:iones en las juntas. )as defle:iones e:cesivas producen bombeo de la subbase y posteriormente rotura de la losa de concreto. El mecanismo de transferencia de carga en la junta transversal entre losa y losa se lleva a efecto de las siguientes maneras;
•
Ounta con dispositivos de transferencia de carga >pasadores de varilla lisa de acero@ con o sin
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malla de refuer4o por temperatura. •
)osa vaciada monolíticamente con refuer4o continuo, >acero de refuer4o de varilla corrugada armada
en
ambas
direcciones@
no
se
establece
virtualmente
la
junta transversal,
tomándose en cuenta para el cálculo del acero estructural la remota aparición de grietas transversales. •
Ounta transversal provocada por aserrado cuya transferencia de carga se lleva a efecto a trav+s de la traba4ón entre los agregados. )a transferencia de cargas se puede definir usando defle:iones o tensiones en la junta. En la figura se observa *ue una transferencia de cargas es nula, cuando la losa no cargada no e:perimenta ninguna defle:ión, todo lo contrario sucede cuando hay una transferencia de cargas perfecta donde la defle:ión de la losa no cargada es igual a la de la losa cargada.
8orma3 de Tran3ferencia de car:a )a capacidad de una estructura de pavimento de concreto para transferir >distribuir@ cargas a trav+s de juntas o grietas es tomado en cuent a en el m+todo !!"#$% '( por medio del coeficiente de transferencia de carga O. )os dispositivos de transferencia de carga, traba4ón de agregados y la presencia de bermas de concreto tienen efecto sobre +ste valor.
Coeficiente de tran3ferencia de car:a 607
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El uso de bermas de concreto unidas o losas ensanchadas reducen las tensiones y deformaciones en una losa. Es por eso *ue se usan valores menores de O. )a ra4ón para tomar O menores en pavimentos con bermas de concreto unida es por*ue se supone *ue los vehículos no transitarán por la misma. Es necesario tener en cuenta *ue la 4ona crítica de la losa es la es*uina y con esta premisa las cargas se alejan de ella, permitiendo una reducción de espesores.
&.=.&
P#RDIDA DE SOPORTE Este factor, )" >loss of support 6 p+rdida de soporte@ es incluido en el diseo de pavimentos rígidos para tomar en cuenta la p+rdida potencial de soporte proveniente de la erosión de la subbase y8o movimientos diferenciales verticales del suelo. 3eberá tambi+n considerarse este factor en t+rminos de los movimientos verticales del suelo *ue pueden resultar de vacíos bajo el pavimento. !un cuando se utilice una subbase no erosionable, pueden desarrollarse vacíos, reduciendo la vida del pavimento. )a tabla 1.L proporciona algunos rangos sugeridos por las !!"#$% para la p+rdida de soporte, dependiendo del tipo de material >específicamente su rigide4 o módulo elástico@.
Ta<4a 1. Va4ore3 de +S TIPO DE MATERIA+ -ase granular tratada con cemento
P#RDIDA DE SOPORTE 0.0 C 1.0
>E 6 1,000,000 a 2,000,000 psi@ e4clas de agregados con cemento
0.0 C 1.0
E 6 I00 000 a 1 000 000 si -ases tratadas con asfalto
0.0 C 1.0
>E 6 (I0,000 a 1,000,000 psi@ e4clas bituminosas estabili4adas
0.0 C 1.0
>E 6 /0,000 a (00,000 psi@ Estabili4ados con cal
1.0 C (.0
E 6 20 000 a L0 000 si
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ateriales granulares sin ligante
1.0 C (.0
>E 6 1I,000 a /I,000 psi@ ateriales granulares finos o subrasante natural
2.0 C (.0
>E 6 (,000 a /0,000 psi@
Conc4u3ione3 ' Recomendacione3 •
Espesor de losa de concreto hidráulico
0.20 m
•
Espesor de sub base
0.20 m
•
Espaciamiento de juntas de contracción
'.00 m
•
Espaciamiento de juntas de dilatación
(.00 m
•
3iámetro de 3oQells
I8 pulgada de 0./0 m con espaciamiento de 0.20 m.
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