Diseño de Pavimento Rígido

De Wikivia

Share/Save/Bookmark

DISEÑO DE PAVIMENTO RIGIDO

DISEÑO DEL PAVIMENTO

CONSIDERACIONES BASICAS.

  • PROCEDIMIENTO DE DISEÑO: METODO PCA
  • CRITERIOS DE DISEÑO: FATIGA Y EROSION
  • EJES CONSIDERADOS EN EL DISEÑO: EJES SENCILLO Y EJES TAMDEN
  • PERIODO DE DISEÑO: 50 AÑOS
  • CRECIMIENTO DEL TRÁFICO: TRANSITO ATRAIDO
  • CRECIMIENTO NORMAL DEL TRANSITO
  • TRANSITO GENERADO

CONSIDERACIONES GENERALES DE DISEÑO

Soporte conjunto Suelo-Súbase

El contar con una subbase permite incrementar en parte el valor de K del suelo que deberá usarse en el diseño del espesor.
Si la subrasante es de material granular no tratada o mejorada, el incremento puede no ser muy significativo.
Los valores mostrados en la tabla de bases granulares están basados en análisis hechos por Burmister de un sistema de dos capas y cargado en pruebas de placas para determinar los valores de K del conjunto suelo-subbase en losas de prueba completas.
Las bases tratadas con cemento aportan mayor capacidad de carga y su comportamiento a largo plazo en mucho mejor.

Bases granulares

K Suelo-Subbase (psi)
K Suelo Espesor Subbase
(psi) 4 In. 6 In. 9 In. 12 In.
50 65 75 85 110
100 130 140 160 190
200 220 230 270 320
300 320 330 370 430

Bases tratadas con cemento

K Suelo-Subbase (psi)
K Suelo Espesor Subbase
(psi) 4 In. 6 In. 8 In. 10 In.
50 170 230 310 390
100 280 400 520 640
200 470 640 830 -

Se mide en términos de modulo de reacción determinados con pruebas de placa de cargas o por ensayos de CBR el valor determinado está basado en la variable transito.
K=50 PSI
K=714.28 Kg/cm2
CBR.
Mide la capacidad de soporte de la subrasante y la rasante, se determina mediante el estudio de suelos.
CBR = 8.0

RESISTENCIA A LA FLEXION DEL CONCRETO.

Considera el diseño por criterios de fatiga el cual controla el agrietamiento del pavimento bajo las cargas de los vehículos.

MR = 4.5 MPA (45 Kg/cm2) vías urbanas principales

El módulo de reacción de suelo corresponde a la capacidad portante que tiene el terreno natural en donde se soportará el cuerpo del pavimento. El valor del módulo de reacción (K) se puede obtener directamente del terreno mediante la prueba de placa ASTM D1195 y D1196.

El valor de K representa el soporte (terreno natural y terraplén si lo hay) y se puede incrementar al tomar la contribución de la subbase.

Cuando se diseña un pavimento es probable que se tengan diferentes valores de K a lo largo del tramo por diseñar, el método AASHTO recomienda utilizar el valor promedio de los módulos K para el diseño estructural
Prueba de placa

RESISTENCIA DE LA SUBRASANTE.

Estimaciones y Correlaciones de K.

En base a una gran número de muestras y estudios se han podido desarrollar algunos valores estimativos del módulo de reacción del suelo en función a diferentes propiedades.

Debido a que los pavimentos de concreto trabajan principalmente a flexión es recomendable que su especificación de resistencia sea acorde con ello, por eso el diseño considera la resistencia del concreto trabajando a flexión, que se le conoce como resistencia a la flexión por tensión (Sc) o Módulo de Ruptura (MR) normalmente especificada a los 28 días.

El módulo de ruptura se mide mediante ensayos de vigas de concreto aplicándoles cargas en los tercios de su claro de apoyo. Esta prueba esta normalizada por la ASTM C78. Existe una prueba similar con la aplicación de la carga al centro del claro que genera resultados diferentes de resistencia a la tensión (aproximadamente 15% a 20% mayores) pero que no son los que considera AASHTO para el diseño.

Especificación del Módulo de Ruptura Recomendado

Los valores recomendados para el Módulo de Ruptura varían desde los 41 kg/cm2 (583 psi) hasta los 50 kg/cm2 (711 psi) a 28 días dependiendo del uso que vayan a tener.
En seguida se muestran valores recomendados, sin embargo el diseñador deberá elegir de acuerdo a un buen criterio.

  • Pavimento Módulo de Ruptura
  • Kg./Cm2 psi
  • Autopistas 48.00
  • Carreteras 48.00
  • Zonas industriales 45.00
  • Urbanas principales 45.00
  • Urbanas secundarias 42.00

Módulo de Ruptura Promedio

La metodología de diseño de PCA permite utilizar la resistencia a la flexión promedio, que se haya obtenido del resultado de ensayos a flexión de las mezclas diseñadas para cumplir la resistencia específica del proyecto. Estos resultados dependen de las condiciones de control y calidad que tenga el fabricante de concreto en sus procesos. En todos los casos se recomienda que sea Concreto premezclado.

El método PCA considera una reducción de un 15% en el módulo de ruptura como factor de seguridad en el concreto, eso lo hace mediante el "Coeficiente de Variación del Concreto".

Factor de Seguridad Adicional.

El concreto continúa ganando resistencia con el paso del tiempo, como lo muestra la siguiente gráfica. Esta ganancia de resistencia es mostrada en la curva que representa valores de módulo de ruptura (MR) promedio para varias series de pruebas de laboratorio, pruebas de vigas curadas en campo y secciones de concreto tomadas de pavimentos en servicio.

El Módulo de Elasticidad del concreto esta relacionado con su Módulo de Ruptura y se determina mediante la norma ASTM C469.

El Módulo de Elasticidad del concreto esta relacionado con su Módulo de Ruptura, existen varios criterios con los que se puede estimar
el Módulo de Elasticidad a partir del Módulo de Ruptura.

Criterios para estimar Módulo de Ruptura

Ec = 6750 * MR Módulo de Elasticidad
a utilizar (psi)

Ec = 26454 * MR ^ 0.77 A =

Ec = a * MR ^ b b =

Ec = x X =

La relación o Módulo de Poisson es el cociente de la deformación lateral entre la deformación, en dirección axial, entonces:
µ = - Deformación lateral
________________________________________Deformación axial

Para una barra a tensión, la deformación lateral representa una reducción en la anchura (deformación negativa) y la deformación axial representa un aumento en la longitud (deformación positiva). Para la compresión ocurre el caso contrario, la barra se acorta (deformación axial negativa) y se ensancha (deformación lateral positiva). Por lo tanto, la relación de Poisson (o Módulo de Poisson), tiene un valor positivo para muchos materiales

Los valores del Módulo de Poisson del concreto oscilan entre 0.10 y 0.20

El valor con el que se desarrolló el método PCA es de 0.15

Relación de Poisson recomendada
Caso µ
PCA 0.15

El factor de seguridad de cargas considera las variaciones y sobrecargas que se pueden tener dentro del tráfico de diseño.
las cargas del tráfico deberán ser multiplicadas por el Factor de Seguridad de Cargas (FSC).

La serviciabilidad final tiene que ver con la calificación que esperamos tenga el pavimento al final de su vida útil.

Factor de Seguridad de Cargas por PCA
Caso FSC
PCA
Casos muy especiales (Altísimo tráfico, Cero mantenimiento) 1.1
Autopistas y caminos de alto volumen de tráfico
Carreteras y avenidas urbanas principales de tráfico moderado
Caminos, calles urbanas secundarias de bajo tráfico

VARIABLES DE DISEÑO
Método PCA
Datos del Tráfico

TPDA
Vida útil 50 Años Tasa de Crecimiento Anual %

Factor de Sentido
Factor de Carril
Total %

Imagen Descripción Cargados (Tons) Vacios (Tons) % Cargados % Vacios % Total Diario

A2
Automóvil 2 1.6
186

A´2
Camión Ligero 5.1 2.5
48

B2
Autobús de dos ejes 15.5 10.5
B3

Autobús de tres ejes 19.5 12
B4
Autobús de cuatro ejes 21 13
C2
Camión de dos ejes 15.5 6.5
C3
Camión de tres ejes 23.5 8.5
C4
Camión de cuatro ejes 28 12.5
T2-S1
Tractor de dos ejes con semirremolque de un eje 25.5 10
T2-S2
Tractor de dos ejes con semirremolque de dos ejes 33.5 11.5
T3-S2
Tractor de tres ejes con semirremolque de dos ejes 41.5 12
T3-S3
Tractor de tres ejes con semirremolque de tres ejes 46 13
C2-R2
Camión de dos ejes con remolque de dos ejes 35.5 10.5
C3-R2
Camión de tres ejes con remolque de dos ejes 43.5 12.5
C3-R3
Camión de tres ejes con remolque de tres ejes 51.5 13.5
T2-S1-R2
Tractor de dos ejes con semirremolque de un eje y remolque de dos ejes 45.5 13.5
T2-S2-R2
Tractor de dos ejes con semirremolque de dos ejes y remolque de dos ejes 53.5 16
T3-S1-R2
Tractor de tres ejes con semirremolque de un eje y remolque de dos ejes 53.5 15
T3-S2-R2
Tractor de tres ejes con semirremolque de dos ejes y remolque de dos ejes 61.5 16
T3-S2-R3
Tractor de tres ejes con semirremolque de dos ejes y remolque de tres ejes 69.5 17
T3-S2-R4
Tractor de tres ejes con semirremolque de dos ejes y remolque de cuatro ejes 77.5 18
TPD.
Transito promedio diario en ambas direcciones y se mide en la incidencia en el diseño de pavimentos o por conteo manual
TPD=800

PROYECCIÓN DEL TRANSITO.

Para 50 años la tasa de crecimiento es del 2.0% anual.
Se desean buscar los factores de proyección con un TPD representativo del valor promedio para el periodo de diseño.

TRANSITO PROMEDIO DIARIO DE VEHÍCULOS COMERCIALES.

Mide el numero de vehículos comerciales durante el periodo de diseño.

TPD= 800
No. Carriles= 2
El factor de Carril es un coeficiente que nos permite estimar que tanto del tráfico en el sentido de diseño circula por el carril de diseño.

En una vía de un solo carril en el sentido de circulación de diseño, obviamente el 100% del  tráfico circulará por ese carril que al mismo tiempo será nuestro carril de diseño.

Una vía con dos carriles en el sentido de diseño, dependiendo del tipo de camino:  carretero ó urbano, y de que tan saturada esté la vía, pueda ser que sobre el carril  de diseño circule entre un 50% a un 80% del tráfico en ese sentido.

De manera análoga se comportan los caminos con más de dos carriles de circulación.
La C.P.A recomienda algunos valores, sin embargo no necesariamente deben utilizarse. Número de Carriles Factor de Carril
1 1.00
2 0.80 a 1.00
3 0.60 a 0.80
4 0.50 a 0.75

Si no contamos con información

Lo más conveniente es contar con información que nos permita establecer con criterio el Factor de Carril. En el caso de que no se tenga la información suficiente para determinar el valor del Factor de Carril, se recomienda utilizar los siguientes valores: Número de Carriles
Factor de Carril Nota:
Estos valores son sugeridos, lo más importante es utilizar un buen criterio.
1
2
3
4

Proporción de vehículos en el carril de diseño= 0.80

Factor de seguridad del transito F.S.C= 1.1

% vehículos por carril= 50%

AÑOS 1995 1996 1997 1998 1999 2000
TPD 550 630 680 720 750 800

Factor de carga equivalente F.C.E= 1.5

Factor camión F.C= 1.30

Método de conteo manual

Numero de ejes equivalentes de 8.2 ton en el carril de diseño y durante el periodo de diseño= 2.250.000 ejes

CALCULOS Y DISEÑOS

CALCULO DE LA CARGA DE DISEÑO.

CARGA MAXIMA LEGAL DE DISEÑO. Eje simple equivalente de 8.2 Ton para diseño.

CARGA DE DISEÑO= 8.2 Ton X F.S.C

CARGA DE DISEÑO= 9.02 TON

CALCULO DE ESFUERZO MAXIMO DE DISEÑO.

Para evitar que se produzca FATIGA en el concreto y la falla del pavimento, debido a un numero suficiente de repeticiones de la carga, que produce esfuerzos de flexión mayores que la mitad del modulo de rotura MR del concreto se toma.

Esfuerzo Máximo del concreto= 0.5 x M.R
MR=45 Kg/cm2
Esfuerzo Máximo del concreto= 22.5 Kg/cm2
La capacidfad de soporte de la subrasante, basado en las relacion de soporte de California.

K= 50 PSI

K= 714.28 Kg/cm2

C.B.R.= 8.00

Utilizando un espesor de base granular de 20 cms. Y con base en el sistema de BUMISTER se obtiene.

Según las curvas de diseño de espesores de pavimento rigido establecidos por la asociación de cemento Pórtland (PCA) de estados unidos y el instituto colombiano de productores de cemento (ICPC), y con los valores de.

Carga de diseño= 78.2Ton
Modulo de reacción de la subrasante= K= 50 PSI
Se obtiene un espesor de la losa de concreto del pavimento de 15 Cms.

CALCULO DEL NUMERO DE REPETICIONES ADMISIBLES DE CADA EJE

CARGA CARGA X F.S ESFUERZO RELACION DE ESFUERZO No DE REPETICIONES ADMISIBLES REPETICIONES ADMISIBLES POR DIA Y POR CARRIL
TON TON KG/CM2
8.2 9.02 22.5 0.50 INFINITAS INFINITAS
9 9.9 23 0.55 130.000 36
10 11 24 0.60 32.000 9
10.5 11.55 24.8 0.62 18.000 5
11 12.1 25.1 0.63 14.000 4
12 13.2 26 0.65 8.000 2
13 14.3 31 0.78 210 0
14 15.4 32.5 0.81 90 0

Período de diseño = 50 Anos x 365 dias = 18250 Dias

DISEÑO DE JUNTAS LONGITUDINALES, TRANSVERSALES Y PASADORES PARA TRANSMISION DE CARGAS

Calculo del área de acero para junta longitudinal, por metro lineal de junta.


3m x 1.15 x 440 Kg/Cm2
As = _________________________ = 0.7 Cm2/Ml
0.67 x 4200 Kg/Cm2

Asumimos una barra corrugada de ½” espaciada cada 1.00 mts Centro a Centro.

Calculo de longitud de la barra de anclaje.

2 x 2.19 cm2 x 0.67 x 4200 Kg/cm2
L= ________________________________ = + 7.5 Cm
21 Kg/cm2 x 3.99 Cm

Según las especificaciones técnicas del manual del I C P C en las juntas longitudinales

Las barras de anclaje deben ser de ½” corrugada y separada 1.00 mts y con una longitud de 85 Cms.

Según las especificaciones técnicas del manual del I C P C en las juntas transversales.

Las barras de anclaje deben ser de ¾”, liso y separados 0.3 m y con una longitud de 30 Cms

INTRODUCCION

El método utilizado para diseñar el pavimento rígido, fue el establecido por la asociación de cemento Pórtland PCA, de los estados unidos y contenidas en el manual de diseño del instituto colombiano de productores de cemento ICPC.

Este método considera que el pavimento es una estructura de concreto con una rigidez tan alta que solo permite deformaciones pequeñas bajo la acción de cargas, y la distribución de ésta bajo la losa es afectada en un área mucho mayor que el área de la carga puntual actuante. Para su análisis se utilizaron conceptos teóricos y experimentales así como ensayos de laboratorios que arrojan como resultado una serie de tablas donde se pueden tomar los datos para el diseño.

De acuerdo a lo anterior se tomaron para el diseño una serie de datos y graficas que permiten la aplicación del método en forma segura y confiable.

El espesor y características del pavimento obtenidas en el diseño, se determinaron usando dos condiciones básicas.

a. Los esfuerzos generados por las cargas de trafico sobre la losa del pavimento son básicamente de flexión.

b. La falla de la losa del pavimento ocurren por fatiga considerando que los esfuerzos inducidos en las losas y originados por la carga no sobrepasan la resistencia a compresión del concreto.

CONCLUSIONES

El pavimento en concreto rígido es de 0.15 cm. y con base en las especificaciones resiste.

1. un numero ilimitado de ejes sencillos de 8.2 Ton.
2. Hasta 36 repeticiones diarias de ejes sencillos de 9.9 Ton durante 30 años
3. Hasta 9 repeticiones diarias de ejes sencillos de 11 ton durante 30 años
4. 4 ejes diarios de 12 ton durante 30 años.
5. Solicitaciones esporádicas de 14 y 15 Ton durante 30 años.

RECOMENDACIONES

La losa de concreto para la construcción del pavimento rígido y el material granular deben cumplir con las especificaciones establecidas por la ASSHO y ASTMA y las contenidas en los manuales de diseño y dosificación de mezclas de concreto para diseño de pavimentos en concreto rígido.

Se recomienda utilizar una base de 20 cm en material granular compuesta por grava arenosa y limos, piedra triturada o combinaciones de estos para que actúen efectivamente contrarrestando el fenómeno de bombeo o surgencia y adicionalmente aumentar el modulo de reacción de la subrasante.

El material base debe cumplir las especificaciones ASSHO M155-63 cumpliendo que.

1. El tamaño máximo del agregado sea de 1/3 el espesor de la base.
2. El porcentaje que pasa el tamiz No. 200 sea del 15% máximo
3. El limite de plasticidad sea 6% máximo.
4. Limite liquido sea máximo 25% y que cumpla las especificaciones ASSHO m-147

ESPECIFICACIONES DE GRADACION PARA BASES
% QUE PASA POR PESO

TAMICES A B C D E

3” 100 100
2” 100 100
1 ½”
1” 75-95 100 100 100
¾”
3/8” 30-65 40-75 50-85 60-100
No. 4 25-55 30-65 35-65 50-85 55-100
No. 10 15-40 20-45 25-50 40-70 40-100
No. 40 8-20 15-30 15-30 25-45 20-50
No. 200 2-8 5-20 5-15 5-20 6-20

El material de base debe encontrarse dentro del sistema unificado como
SP, GW, GM, SW, SP, GP
En la ASSHO como.
A-1-a, A-2-4, A3, A-1-b, A-2-5, A-2-6 y que cumpla con un C.B.R. desde 20 hasta 50.

El concreto debe cumplir con la norma ASSHO T97-64 que indica que la resistencia a la rotura por flexión del concreto sea igual al esfuerzo equivalente a 40 Kg/cm2 a los 28 días.

Atentamente;

Nombre del proponente ROBERT EDUARDO PINEDA PEREA
C. C. No. 73.146.962 de CARTAGENA
Matrícula Profesional No. 08202083631 ATL
Dirección de correo calle 32ª No 14-19 san Vicente sincelejo
Dirección electrónica roberteduardopineda04@hotmail.com
Telefax 095-28143490
Ciudad Sincelejo

Herramientas personales
Proyecto realizado por:
Asociación Española de la Carretera
proy. TSI-070100-2008-50
financiado por:
Ministerio de Industria Turismo y Comercio
IV Edicin del "Premio Internacional a la Innovacin en Carretera Juan Antonio Fernandez del Campo"