dialnet-comportamientodelosmaterialesbajocargarepetida-4902857

INGENIERIA CIVIL .. .

Comportamiento de los materialesbajo carga repetida

Este es un trabajo presentado al V Simposio Colombianosobre Ingeniería de Pavimentos, realizado en Cúcuta enoctubre de 1983.

JORGE TAMAYO TAMAYOProfesor AsociadoIngeniero CivilUniversidad Nacional

22 Ingenieria e Investigación

Nuevos conceptos han surgido en el campo deldiseño de la estructura del pavimento. los cualeshacen referencia específica al comportamiento dela estructura y de cada uno de sus componentes,frente a la carga repetida; otro aspecto destacado deesta evolución conceptual corresponde a la incor-poración de criterios de falla que tienen realcorrespondencia, entre los que figuran la deforma-ción por tensión en la parte inferior de la carpetaasfáltica, asociada con la resistencia a la fatiga y ladeformación por compresión a nivel de la subrasan-te, asociada con las deformaciones permanentesVer Figuras 1 y 2Los planteamientos anteriores han llevado al Labo-ratorio de Ensayo de Materiales a ocuparse deltema, tarea que se desarrolla actualmente en laetapa de recolección y análisis de la información; elInterés en plantear el tema en este evento, estaorientado hacia la motivación de entidades eIngenieros, con miras a la Implementación de unametodología de estudio y diseño más racional

COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOSGRANULARES BAJO CARGA REPETIDA

En las Figuras Nos 3 y 4 se presentan resultadostípicos del módulo de resiJencia, en donde seevidencia la gran dependencia que presenta delestado de esfuerzos, la expresión simplificadaqueda en los siguientes términos

MR = K eC

E> = u, + 2U3K y e, constantes características de cada material yde la condición de prueba.

En términos generales se pueden expresar lassiguientes conclusiones referidas al módulo deresilericia.1. Es independiente del tiempo de aplicación de

carga.2. El MR determinado después de 100 ó 200

aplicaciones de carga es representativa de laesperada después de varios miles de aphcacio-nes de carga

3 El MR depende casi totalmente del estado deesfuerzos prevalecientes.

4. Presenta alguna sensibilidad a la condición dehumedad del especímen, Figura 58 en general

INGENIERIA CIVIL

//

\\

\\

<,<,

<,/'

.//'

;4 , > - -

---Esfuerzos verticales

--'-- Tensión--+- Com presión

Esfuerzos horizontales

-

\\ J

Esfuerzos tangenciales.

FIGURA 1

crece con la conotcion de menor humedad.5 Tendencia similar presenta con el grado de

anqular idad del agregado. Figura 48.6. A esfuerzos totales baJOS. el MR se Incrementa

notablemente con el grado de compacidad y conla mejor condición de distribución granulomé-trica y con el menor grado de saturación.

relaciona el módulo de resistencia y el esfuerzodesviador usualmente presenta un quiebre biendefinido, tal como se esquematiza en la Figura No.5A y se observa en la Figura Nº 68.Lo anterior permite plantear las siguientes ecuacio-nes:

COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS FINOSBAJO CARGA REPETIDA

La curva característica de los suelos finos que

MR = K2 + K3(K1 - (0"1 - 0"3)

para K1 < (0"1 - 0"3)

MR = K2 + K4((0"1 - 0"3) - K1)para K1 > (0"1 - 0"3)

Ingeniería e Investigación 23

INGENIERIA CIVIL

r.Concreto asfáltico

Deformación portensión

Deformación porcompresión 1

Para lograr una caracterización adecuada de larespuesta de los suelos finos en términos de módulode resilencia es necesario hacer estudios mtensivosque abarquen los diferentes grupos de suelo; unestudio de esta clase se hizo en el estado de lllinois(Referencia 1) del cual se derivan las siguientesconclusiones que bien podrían tener aplicación ennuestro medio.1. K1 usualmente fluctúa muy poco para todos los

suelos de la subrasante2. K2 es muy sensible a las propiedades del suelo,

siendo menor cuando la plasticidad es baja, conlos menores índices de grupo, con altos conteni-dos de limo y bajos porcentajes de arcilla y conaltos contenidos de materia orgánica

3. K2 Y K3 no difieren significativamente para losdistintos grupos de suelos de la use

4. Se pudo establecer una relación entre K2 y elCBR sin inrner srón con humedades alrededor dela óptima, pero no se logró con el CBR obtenidosobre probetas sometidas a inmersión. Sinembargo se obtuvo una mejor correlación con lacompresión inconfmada y el módulo de elastcr-dad estático

K2 0,86 + 0,307 q, (Ksi); q, en psi.

K2 3,46 + 1,9E (Ksi); E en Ksi

5 Con la saturación, reflejo del grado de cornpaci-dad y la humedad, se alcanzó una magníficacorrelación, lo cual es muy significativo para uncontrol de la compactación


Base

SubbaseFIGURA 2.Factores a considerar en eldiseño de pavimentos flexibles.

K2 45,2 0.428 Sr para 100% C, Sr en %

K2 32,9 - 0,334 Sr para 95% C

Los suelos con mayor contenido de arcilla,resultaron más insensibles con el cambio en lasaturación.

6. Similar relación a la anterior se pudo establecercon el contenido volurnérrico de agua (volumende agua expresado como porcentaje del volu-men total); para todos los suelos ensayados selogró la siguiente expresión.

K2 = 16,51 - 0,34 ~ Cw (Ksi),contenido volumétrico en %

7. Tal como se puede corroborar conla Figura 5eel módulo de resrlencia se Incrementa con elgrado de compactación, encontrándose en elestudio (Refer encia 1) que esta tendencia no seobservaba por Igual para los suelos de losdiferentes horizontes

8. Muy notable se evidencró la mcidencia delhorizonte del cual provenían las muestras; paramuestras del horizonte A, los K2 Y K3 resultaroninferiores a los de los horizontes B V C

En términos qerierales se puede afirmar que elmódulo de resilencra tiene un amplro espectro devariación con las propiedades de los suelos, no asícon las condiciones de la prueba, es poco sensibleal número de aplicaciones de carga Todo loplanteado Induce a la necesidad de evaluar elmódulo de resilencia para cada situación específica

INGENIERIA CIVIL

.....

~~

~+

~~

...,.,.,.

MR - 6,7008°36-

a-Ja«

+ 1.5o 3.0t::. 5.0

I I

'"o

X 100C/)o,

lEeID

50

22 5 10 20 50 100

Suma de los principales esfuerzos, 8 = a, + a z + a z - psi.a. Arena.

-:W

V

~t::.

:?[y60t::.

MR - 1,9008°6'

h:~ -

oJo ,,;

+ 1.5

o 3.0

- e: 5.0

1

y establecer correlaciones con otras pruebas mássencillas a fin de facilitar el control.

C/)ID.... 20e'ooCIlE....O'+-ID"OID"Oo::::¡"O'o~

10

5

22 5 10 20 50Suma de los principales esfuerzos, 8 =

b. Grava seca

COMPORTAMIENTO DE LAS MEZCLASASFALTICAS BAJO CARGA REPETIDA

Depende fundamentalmente de la clase de solicita-ción aplicada. de la temperatura y del tiempo decarga: las dos últimas son evidentes dada lanaturaleza. viscoelástica. del asfalto el cual imponesu condición como componente de la mezcla.Las pruebas en el laboratorio pueden ser hechasbajo dos condiciones de carga esfuerzo o deforma-

'"oro

100XC/)o,

50ID-eID

C/)

~ 20e,ooCIlE 10....O'+-ID"OID 5"Oo::::¡"O'o~

100a, + a2 + a3 - psi

FIGURA 3. Efecto de la suma de los principales esfuerzos sobre el módulo de resiliencia dela arena y la grava en pruebas de carga repetida triaxiales.

ción controlada. en la práctica se ha establecido unacorrespondencia entre las pruebas y las caracterís-ticas trsrcov mecárucas de las carpetas asfálticas.Se acepta que el estudio del comportamiento de lascarpetas delgadas. menos de 5 cms. cae dentro dela condición de deformación controlada y el de lascarpetas gruesas. más de 10 crns se ubica dentrodel campo de aplicación de la prueba tensióncontrolada. Para espesores mter medio s. la respues-ta de la carpeta a carga repetida. resulta Incierta ypuede presentar características intermedias a losdos mecanismos típICOS.


INGENIERIA CIVI(

60.000

50.000

40.000

30.000(fj

a.

u1

20.000

10.000

10 20 30 40 50 60 70 80 90100B = 'u, + 2U3), psi

Efecto de la densidad sobre las relaciones entre E, y e, resultados vep, sobre muestras de grava.

60000~-----------------------------------------,

50000

(fj

a.ul

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100B = (u, + 2U3), psi

Efecto de la clase de material en la relación E, Y 8, en especimenes a densidades bajas.

El estudio del comportamiento de las carpetasasfálticas frente a carga repetida, resulta complejopor la gran cantidad de factores incidentes, lo cualha llevado a formular recomendaciones no concor-dantes por los investigadores del tema.

Algunas de las conclusiones más importantes sonlas siguientes:

1. Antes de entrar a estudiar el comportamiento esnecesario ubicar la condición de trabajo de lacarpeta, bien sea a esfuerzo o deformacióncontrolada.


FIGURA 4.

2. A esfuerzo controlado, la resistencia a la fatigase ve favorecida con el incremento en el módulode rigidez.

3. A deformación controlada se presenta unasituación completamente contraria, a mayormódulo de rigidez menor número de aplicacio-nes de carga en la falla, tal como se muestra en laFigura 6A

4. Lo anterior parece explicarse en razón de laenergía consumida en cada ensayo y a lavelocidad de propagación de la grieta; a esfuer-zo controlado se produce un incremento de

INGENIERIA CIVIL

Cargas repetidas

~12.000

roue.~ 8000'c;;~Q)

"O

.2 4000::J"O'0:2

10 20 30 40 60Esfuerzo desviador, 0"1 - 0"3 (psi)

Módulo de resiliencia típico (MA) en suelos de grano fino(Tomado de Terrel).

~ 100~--------~-----------r-.~------,enc.oooSw","O:2 ~roo,'g ~ 10.~ ~- en'c;; UJ~Q)

"O

.2::J"O'0:2

rouQ)en"Oro:2eneQ)

O

1~------ __~ ~ ~1 10 100 1000

Suma de los principales esfuerzos, 8 (psi). Escala grandel.

Typical MA response for granular materials (From Hicks)

\\\ )i

MA = 50,000 '::~ ",'" \] '"---- \ / ~",// \ I V%

",'" I

40,0.?~ __ ... '" \ //~,'

",,,,'\c90g. l'30,000 »> "'''' 0"/ \_-_...- "/ I

/"'''''''/\,/\20,000 - ,

/",'" ",/// \ \10,000 ",/",,,, \

'" '" Ésfuerzo desviador 2 ps~Presión de celda 3 psi \

Módulo de resiliencia correspondiente a 1000 aplicaciones de esfuerzoa 0.1 seq. de duración y frecuencia de 20 repeticiones por mino

Contenido de agua (%)Efecto del contenido de agua y densidad seca sobre el módulo deresiliencia (Tomado de Monismith).

FIGURA 5.

esfuerzos en el punto de grieta, lo cual da lugar auna propagación rápida del agrietamiento Adeformación controlada la formación de lagrieta resulta por la disminución del esfuerzo ypor lo tanto la propagación del agrietamiento sehace en forma lenta

5. Por lo planteado se concluye que en el estudiode la resistencra a la fatiga, lo más Importante esla velocidad de propagación del agrietamiento.

6. Según Flnn a tensión controlada la resistencia ala fatiga aumenta con el contenido del liqante. larugosidad y anqularidad del agregado y lacontinuidad en la distribución granulométrica, ydisminuye con la menor consistencia delligantey la mayor temperatura.

7. A deformación controlada la tendencia es total-mente contraria ya que se consigue una mayorresistencia a la fatiga con asfaltos blandos,gradaciones abiertas y agregados lisos y redon-deados.

8 EXiste un margen de espesores, usualmente loubican entre 5 y 10 cms. que presentan elcomportamiento más desfavorable con respec-to a la resistencia bajo carga repetida; la granmayoría de los diseños nuestros contemplanespesores que caen dentro de dicho margen.

DEFORMACION PERMANENTE Y ESTABILIDADVOLUMETRICA

El comportamiento de la estructura del pavimento yel de cada uno de los componentes no solo debe serobservado en el campo de las deformacionesrecuperadas, sino que debe estudiarse la evoluciónque éste presenta con las deformaciones perma-nentes debidas a las cargas dei tráfico y a laincidencia del medio ambiente sobre la estructura.Esta acumulación de deformación se traduce enuna mayor densificación y por consiguiente en unariqidización de la estructura, que la va Inhabilitandopara asimilar los cambios volurnétricos secuencia-les que se producen en las cargas subyacentes

QUE IMPLICACIONES SE DERIVAN DE LAINCORPORACION DE ESTOS NUEVOS CRITERIOS

Se concede la mayor atención a la subrasante.quedando la superestructura del. pavimentodependiendo completamente de las propieda-des qeornecánicas de la misma y de las adquirí-das con los mejoramientos que necesariamentese le deben Incorporar a su comportamiento; ensíntesis la superestructura debe acomodarse alcomportamiento de la subrasante.

2. Toda la estructura del pavimento debe presentarconcordancia y las propiedades de sus compo-nentes deben estar de acuerdo con el compor-tamiento de las capas sub y suprayacentes.

3 Un tratamiento muy especial merece el estudiode las carpetas asfálticas, dada la disimilitud queexhiben en su comportamiento de acuerdo a lasolicitación aplicada y al mecanismo de trabajo

4. En la parte resolutiva del diseño se pasa de


INGENIERIA CIVIL

e

e:2'fuOal'-

E Xo~--oQ) U"O:;::

~:§O UJN al"-oQ) .....::J Q)-- "-UJ UW e

OuQ)1J

14,000

12,000UJa.al 10,000ueID

8,000UJQ)"-Q)

6,0001J

~::J1J 4,000-o~

¿,UOO

O

16,000

14,000

12,000UJa.ci'0 10,000eQ)

UJ 8,000eQ)1J

~ 6,000::J1J-o~ 4,000

¿,OOO

O


Aire en vacío = 5%Mezclas tipo californiano

Porcentaje de asfalto = 6%

103 104 105Número de repeticiones a la falla

I I I IMr después

\ de 200 repeticiones

\1\\ f....--' p..-

_,r"""f..--

"' ~ ~

5 20 25 35 5530 40 504510 15(0"1 _ 0"3) psi

I I I IM, después

~

de 100.000 repeticiones

\\

_\\\<;

5 10 15 20 3525 30 40 45 50 55(0"1 _ 0"3) psi

Módulo de resiliencia como una función de (0"1 _ 0"3),suelo subgrado AASHO.

FIGURA 6.

INGENIERIACIVIL

colocar un "paquete de solución" de acuerdo ala capacidad portante de la subrasante alestudio y diseño de una estructura Integral; loanterior obliga a proceso iterativo que buscaconcertar los criterios de diseño y las propieda-des de los componentes.

5. Respecto a la resistencia de la estructura delpavimento frente a cargas repetidas parecehaber coincidencia sobre las propiedades quedebe presentar la estructura: o presentan granflexibilidad para acomodarse a las deformacio-nes inducidas o gran resistencia para asimilarlas tensiones que se generan y afectan principal-mente a las capas superiores.

6. Si una estructura ha fallado por fatiga su

BIBLlOGRAFIA

1 Tho rnpson. M y Robnett. Q Resilent properties of subgradesoils.Uruvar srtv of lllmors. 1976.

2 Yoder. E y vvuczak M. Principies of pavement designoEditorialWlley. 1975.

3 Uruversuv 'of Notunqharn. Bituminous materials and flexiblepavement designo 1974

4 Allen. J. y Thorno son. M. The resilent responce of granular

reestructuración no debe hacerse colocandosobre-carpetas, porque con ello se están crean-do condiciones aun más propicias para la fallapor fatiga, proceso que ocurrirá en lapso menor.

7. Es necesario que las entidades estatales relacio-nadas con este ramo empiecen a trabajar enestos aspectos y adopten políticas más raciona-les y consecuentes en el diseño y construcciónde los pavimentos. En la situación actual seobserva cómo nos hemos ido quedando en elmismo punto trabajando con elementos inapr o-piados a la espera que se establezcancorrelaciones milagrosas o recetas de éxitoprobado

materials. Uruver srtv of llhr-ors. 1974.5 Freeme.e y Marals. e Thin surfaces: Their fatigue behaviour and

prediction. NIRR. 1973.6. Pell. P Fatigueof asphalt rnixes. 2a.Conferencia Internacional de

Diseño Estructural de Pavimentos Asfálticos Ann Arbor. Michi-gano 1967


dialnet-comportamientodelosmaterialesbajocargarepetida-4902857

Documents