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5/17/2018 Dise o de Pavimentos Chile _Carlos-Arrate-Paper - slidepdf.com

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Diseño de Pavimentos Rígidos.

Carlos Arrate L. Natalia Sierra H.Álvaro Solar D.

Departamento de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería,

Universidad de Concepción, Chile

RESUMEN

En este artículo se desarrolla una descripción de la metodología de Diseño de Pavimentos Rígidos a

través del modelo empírico-mecanicista MEPDG, donde se presenta una base de funcionamiento de la

metodología de diseño y una descripción del procedimiento realizado para obtener un diseño requerido.

También se presentan las características principales del método como son los niveles jerárquicos al momento

de incluir las variables de entrada y la ventaja de diseñar utilizando este método en pos de otro. Además se

describen los modelos de deterioro considerados para pavimentos rígidos, tales como el deterioro de juntas,

grietas transversales en losas, punzonamiento y escalonamiento con sus respectivas variables de diseño

consideradas. 1.-INTRODUCCIÓN

El desarrollo en la forma de diseñarpara los pavimentos rígidos ha sido de formapaulatina a medida que se han idoincorporando los distintos factores queinteractúan en el desempeño de lospavimentos a lo largo de su vida útil. Estoshan ido evolucionando desde la experticiaadquirida por la experiencia de cada

constructor, pasando por los métodosempiristas, con los cuales se correlacionanlas distintas variables de forma experimental,hasta desembocar en el método mecánico-empirista actual, el cual si bien no logradescribir completamente el desempeño delos pavimentos, a través las propiedadesmecánicas de los materiales y su reacciónante las condiciones de uso, logra intégralasde buena forma obteniendo un procedimientocon respaldo teórico. Nuestro objetivo alrealizar este artículo es poder establecer conclaridad las características de este nuevométodo para poder demostrar que estainclusión, conlleva un mayor entendimientodel desempeño de los pavimentos,proporcionando mayor libertad de decisión,generando así el mejor método que existe enla actualidad para el diseño de pavimentosrígidos.

2.-ESTRUCTURA DE LOSPAVIMENTOS RIGIDOS

Los pavimentos rígidos, a diferenciade los pavimentos flexibles, estánconstruidos con una losa de PPC (pavimentode cemento portland), como capa receptorade las cargas de tráfico. En general tienenuna base constitutiva formada por:

Fig1. Constitución estructural de capas paraun pavimento rígido.

Losa de hormigón: Estructura diseñada yelaborada de hormigón, la cual es laencargada de recibir las cargas de tráfico ytransmitirlas a la estructura inferior o (suelo) deforma más uniforme. Su diseño está estipuladosegún los criterios de diseño y desempeñonecesarios para el proyecto, donde existen



diversos tipos: Pavimento hormigón simplearticulado (JPCP), Pavimento hormigónreforzado articulado (JRCP), Pavimentohormigón reforzado continuo (CRCP),Pavimento hormigón pretensado (PCP).Cada uno de estos tipos de losas de

hormigón, serán descritos oportunamente.

Capa de base: Es aquel que sirve defundación al pavimento, es la encargada detransmitir en segunda instancia las cargapreviamente distribuidas por la losa dehormigón, tiene las características de lassecciones transversales especificadas en losplanos de diseño, como pendientes ybombeos.

Capa de subbase: La capa de materialseleccionado (tierra seleccionada), que secoloca encima de la subrasante. Se trata deuna base de menor calidad ya que al estarmás alejada de las cargas del tráfico, estas lellegan más atenuadas. En muchos casos se haatribuido también a la sub-base una funcióndrenante, en particular cuando las capasinferiores son poco permeables.

Superficie subrasante: La correspondiente alterreno de fundación, esta consta en primeramanera de una capa de suelo natural, hastallegar en profundidad a una “cama de rocas”.

Representa la estructura natural del suelosobre la cual se erige el pavimento.

3.-TIPOS DE PAVIMENTOS RIGIDOS

Pavimento hormigón simple articulado(JPCP): Se construyen con empalmes decontracción espaciados. Los pasadores o losdispositivos de seguridad se pueden utilizar

para traspasar carga a través del empalme,como por ejemplo las barras de traspaso decarga.

Pavimento hormigón reforzado articulado(JRCP): Los refuerzos de acero bajo la formade acoplamiento de alambre o las barrasdeformadas no aumentan la capacidadestructural de pavimentos sino permiten el

uso de espaciamientos comunes más largos.Los espaciamientos comunes varían a partirde 10 a 30 m. Debido a la longitud más largadel panel, se requieren pasadores para latransferencia de carga a través de losempalmes. La cantidad de acero distribuido

en JRCP se incrementa con el aumento en elespaciamiento común y se diseña paramantener la losa unida después deagrietarse. Sin embargo, el número deempalmes y los costes del pasadordisminuyen con el aumento en elespaciamiento común.

Pavimento hormigón reforzado continuo(CRCP): Se trata de un diseño libre deempalmes, ya que originalmente se razono

que los empalmes eran los puntos débiles enel pavimento rígido requerido. La formaciónde grietas transversales en los intervalosrelativamente cercanos es una característicadistintiva de CRCP. Estas grietas sonsostenidas firmemente por los refuerzos y nopresentan ninguna preocupación mientras seespacien uniformemente. La señal de alertaque ocurre más frecuentemente en CRCP esel punzonamiento en el borde del pavimento.Esta falla ocurre en el borde del pavimentoen vez del empalme. La cantidad de acero de

refuerzo longitudinal se debe diseñar paracontrolar el espaciamiento y la anchura degrietas y la tensión máxima en el acero.

Pavimento hormigón pretensado (PCP): La pre-aplicación de una tensión compresivaal hormigón reduce grandemente la tensiónextensible causada por las cargas del tráficoy disminuye así el grueso del hormigónrequerido. Los pavimentos de hormigónpretensado tienen menos probabilidad de

agrietarse, menos empalmes transversales,requieren menos mantenimiento y presentanuna vida más larga del pavimento.

A excepción de PCP con lapretensión lateral, un empalme longitudinalse debe instalar entre dos pistas paralelaspara prevenir agrietarse longitudinal.



4.-DESCRIPCION Y OBJETIVOS DELMEPDG

El MEPDG representa un grancambio en la forma de diseñar elcomportamiento de un pavimento.

Mecanicista se refiere a la aplicación de losprincipios mecánicos ingenieriles queconducen a un proceso racional de diseñobasado en tres elementos básicos:

I. La teoría es utilizada para predecirlas respuestas críticas del pavimento(tensiones, deformaciones, etc.) antelas condiciones de tráfico yclimatologicas imperantes en elproyecto.

II. Procedimiento de caracterización delos materiales de forma consistente ycolaborante con la teoría.

III. Relación entre la respuesta critica delos pavimentos con los parámetrosde respuesta y tensiones observadasin-situ (parte empírica).

El MEPDG es un predictor detensiones e IRI (rugosidad), se utiliza paraevaluar un juicio de diseño (combinación de

capas, espesor, decisiones de diseño, etc.)para un set de condiciones ambientales ycriterios de falla definidos. Una diferenciafundamental entre la “Guía para el diseño de

estructuras de pavimento” (AASHTO, 1993) y

el MEPDG, es que el MEPDG predicemúltiples indicadores de comportamiento delpavimento proporcionando un balance entrelos materiales, diseño estructural,construcción, clima, tráfico y gestión desistemas de pavimento.

Al ser un método iterativo, con un setde ecuaciones bastante complejo, se hadesarrollado un software computacional conel cual se resuelve el método de formaiterativa, realizando varios cambios en eldiseño a criterio del usuario hasta obtener elresultado requerido.

Si bien el MEPDG provee una guíade diseño para que el ingeniero puede hacerla toma de decisiones con respecto al diseñoo rehabilitación de pavimentos con respectoal enfoque M-E, el MEPDG no proveecalibraciones locales para esfuerzos y

rugosidades. Un documento aparte“Practicas estándar para la calibración local o regional de parámetros a la conducta localpara el MEPDG” provee una guía de cómo

realizar estas calibraciones, tanto para HMAcomo para PPC (NCHRP, 2007.b).

5.-SIMPLIFICACION DE DISEÑO DELMEPDG PARA PPC

Fig. 2. Descripción de la modelación parapavimento rígidos según MEPDG.

El MEPDG trabaja con unaconversión de los módulos resilientes delas capas a módulo dinámico efectivo

para la subbase. La capa de subbase yel pavimento no consolidado soncaracterizadas usando el módulo deresilencia en esta guía para todo tipo depavimentos. Para el diseño depavimentos rígidos, el valor k de lasubrasante necesario para el análisisestructural es obtenido a través de unproceso de conversión, el cualtransforma la actual estructura depavimento en una estructura equivalentede losa de PCC, base y un módulodinámico efectivo de valor k.

Esta aproximación garantiza eldiseño para todo tipo de pavimentosutilizando las mismas variables deentrada para la subbase y otras clasesde pavimento. Esta transformación se



realiza de forma interna en el software deprograma.

6.-RESUMEN DEL PROCEDIMIENTODE DISEÑO DEL MEPDG PARA PPC

El MEPDG es un proceso iterativo,donde el resultado final no son espesores decapas como en el approach empíricoAASHTO, sino que tensiones y rugosidades.El diseñador primero debe considerar lascondiciones del sitio, (tráfico, clima,subrasante, pavimento pre existente si setrata de una rehabilitación) para proponer un

juicio de diseño. Así el diseñador estácompletamente envuelto en el proceso dediseño y posee la flexibilidad de considerar

diferentes factores de diseño y materialespara poder satisfacer el criterio dedesempeño que se desea alcanzar.

7.-JERARQUIA DE LAS VARIABLESDE ENTRADA PARA EL DISEÑO

El enfoque jerárquico se utiliza para lasentradas de diseño en MEPDG. Este enfoqueproporciona al diseñador varios niveles de"eficacia de diseño" que puede estarrelacionado con la clase de carretera en

El método MEPDG consta de tresetapas principales: Evaluación, Análisis ySelección de Estrategia. Estas son lasinfluencias que el método posee sobre todaslas etapas del proyecto, desde la idealizaciónde la solución hasta la realización física del

proyecto de pavimentación, sin embargo,aunque esto infiere hasta en los ensayosnecesarios a realizar para obtener los datosde entrada, hasta los ensayos yverificaciones necesarias para ratificar losvalores de serviciabilidad en el tiempo, nosconcentraremos en la segunda etapa, elanálisis de la solución, que es el núcleo delMEPDG, a continuación un diagrama de flujoque esquematiza el procedimiento realizadopor el método:

cuestión o el nivel de fiabilidad del diseñodeseado. El enfoque jerárquico se empleaprincipalmente para el tráfico, los materialesy elementos ambientales (NCHRP 2004). Engeneral, los tres niveles de insumos seproporcionan:

DistorsionAgrietamiento

relacionado a cargas

Agrientamiento no

relacionado a cargas

NO

¿Se cumplio el cri terio

de diseño?Rugosidad IRI

ETAPA 3: SELECCIÓN

DE ESTRATEGIA

Selección del cri terio de diseño para l a estrategia de

diseño

ETAPA 2: ANALISIS

Modificar las

caracteristicas de

diseño o materiales

Analis is de

Reabilitacion

Calcul o del daño incrementalModelaci on de las funciones de transferencia de

esfuersos en el pavimento

Modelaci on de respuesta del pavimento (cal culo de

esfuerzos y deformaciones)



Nivel 1: Valores de entrada del sitio yespecificaciones de materialesobtenidos directamente de pruebas ymediciones.

Nivel 2: Valores obtenidos a travésprogramas o estimados de formaempírica, ejemplo, módulo deresilencia basado el CBR.

Nivel 3: Valores obtenidos del usonacional o experiencias locales,como los valores incluidos en elcódigo AASHTO.

Para un diseño dado, se permitemezclar los diferentes niveles de entrada.

8.-CARACTERISTICAS DE DISEÑO Y

FACTORES NO INCLUIDOS EN ELMETODO MEPDG

Con respecto a los factores dediseño no considerados en el MEPDG setiene que:

Fricción o resistencia al arrastre y ruidos: El MEPDG no predice la pérdida de lascaracterísticas de la superficie relacionadascon la resistencia al arrastre y la atenuaciónde ruidos. El diseñador necesita considerar

los datos y experiencia históricos en laevaluación de la capacidad de la capasuperficial para proporcionar la mínimaresistencia de arrastre y la atenuación deruidos a través de las especificaciones de losmateriales.

Llanta simple y súper simple: El MEPDGasume que todos los ejes en un tráfico mixtode camiones posee llantas dobles. Una llantasimple puede ser simulada con el softwareusando una función especial de carga. Para

llantas súper simples se debe correr unprograma por separado para analizar eldesempeño.

Durabilidad y desintegración mixta: ElMEPDG no tiene la capacidad de predecir ladurabilidad de la mezcla y desintegración dela superficie. La durabilidad de la mezclapuede dirigirse en el proceso de diseño de la

mezcla o en las especificaciones de losmateriales del proyecto de forma externa alMEPDG. El desprendimiento de las juntas dePCC, como fuera, es modeladoempíricamente como una función de larelación agua – cemento, contenido de aire,

resistencia y otros parámetros.

Cambios de volumen del suelo: El MEPDGno tiene la capacidad de predecir el cambiode volumen potencial de los suelossusceptibles a congelamiento, altamenteexpansivos (plásticos, arcillosos). Cuando seencuentran problemas de suelo en puntos alo largo del trayecto de la ruta existentécnicas de tratamientos del suelo paraminimizar el impacto del suelo en eldesempeño del pavimento.

Geo mallas y otros materiales de refuerzo: Estos materiales no pueden ser simulados enel MEPDG, actualmente. Además, ningunode los test de secciones incluye en elproceso de calibración el uso de geo mallas oalgún otro material de refuerzo en laestructura del pavimento.

Pavimentos semirrígidos: Los pavimentossemirrígidos consisten en una mescla deHMA puesta sobre una base tratada concemento (CTB), una base de hormigón(LCB), o una mezclas de cemento (CAM),con o sin el uso de una capa de base. ElMEPDG puede analizar este tipo depavimentos, pero el incremento de los dañosproducidos por fatiga y la función detransferencia de esfuerzos no estáncalibradas para pavimentos semirrígidos.

Programas de preservación depavimentos: Los programas y estrategias de

preservación de pavimentos son decisionespolíticas las cuales no están directamenteconsideradas en el proceso de predicción.

Recapados ultra delgados de PCC: Unrecapado ultra delgado de PCC no puede serdiseñado por MEPDG. El mínimo espesorpara JPCP es de 6 in el mínimo espesor para



CRCP es de 7 in, además el espaciado delas juntas está limitado a 10 ft y superiores.

JRCP: Este tipo de pavimentos no esconsiderado directamente en elprocedimiento del MEPDG y no puede ser

diseñado a través de este.

Interface de fricción entre un recapado deHMA y un pavimento existente de PCC: ElMEPDG excluye la capacidad de variar lainterface de fricción entre un recapado deHMA y un pavimento pre existente de PCC.

9.-MODELOS DE DETERIOROPREDICHOS POR EL METODOMEPDG.

El MEPDG incluye funciones detransferencia y ecuaciones de regresión queson usadas para predecir varios indicadoresde desempeño considerados importantes pormuchos programas de gestión depavimentos. La siguiente lista especifica losindicadores de desempeño calculados por elMEPDG para el diseño de pavimentosrígidos. Luego para superficies y recapadosde PCC tenemos que:

JPCP – Fractura transversal de la losa (de

arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba): El porcentaje de agrietamiento en la losa(TCRACK), es determinado incorporando elagrietamiento de abajo hacia arriba y arribahacia abajo. Determinado como:

%100)( qPqP CRK CRK CRK CRK TCRACK

Donde CRKp y CRKq corresponden alporcentaje de agrietamiento predicho de

abajo hacia arriba y arriba hacia abajo,respectivamente.

Cada tipo de agrietamiento específico esmodelado como una función de acuerdo aldaño por fatiga utilizando:

168

,

,1

1

q p

q pFD

CRK

nmlk ji

nmlk ji

q p N

nFD

,,,,,

,,,,,

,

FDp,q Daño acumulado porfatiga de acuerdo a laHipótesis de Miner´s

n Numero de aplicaciones deCarga en la condición i, j, k, l,m, n

N Número de aplicaciones deCarga alcanzas en la fallabajo las condiciones i, j, k, m,n.

i = edad del pavimento (Enaños)

j = mes (está relacionado conel clima del mes enparticular).

k = tipo de eje l = nivel de carga para cada

tipo de eje m = diferencia de

temperatura entre la zonasuperior e inferior de la losa

n = trayectoria del tráfico

JPCP – Falla central en las juntas: Espredicha mes a mes en un approachincremental. Un incremento de falla esdeterminado cada mes, donde el actual nivelde falla afecta los niveles de incrementos dela misma. La falla de cada mes esdeterminada por la suma de los incrementosde falla de todos los meses anteriores in lavida del pavimento desde que se abrió altráfico.

JPCP – Escalonamiento en las Juntas: Elescalonamiento en las juntas del pavimentode hormigón es analizada utilizando unasuma aproximada de incremento delescalonamiento a través del tiempo ( en el mes “i”), donde se obtiene finalmente el

escalonamiento luego de “m” meses en

pulgadas:



∑

Para cada mes, el incremento delescalonamiento se asume

proporcional a la energía disipada en ladeformación del apoyo de la losa, y esta seexpresa como:

Y además:

Dónde:

Corresponde a la media delescalonamiento acumulado hasta elmes anterior.

Es el máximoescalonamiento del mes anterior.

Corresponde al diferencial deenergía para el subgrado dedeformación.

Corresponde al módulo desubgrado de reacción.

y son las deflexiones en losextremos cargados y no cargados delas juntas entre 2 losas.

PCP – Desprendimientos de la junta

(incluido en el modelo de predicción del

IRI): El modelo para juntas de hormigónestá expresado en términos de la fatigapresente, normalmente grietas producto de lafatiga, escalonamiento y desprendimiento,además, de la rugosidad inicial (), dondese tiene que:

Y desprendimiento se obtiene de la siguienteecuación empírica.

[ ] [

]

Además, el factor de desprendimientobasado en el sitio, diseño y variablesclimatológicas dadas por:

Mientras que

Dónde:

Corresponde a un porcentaje

de las juntas con una intensidad dedesprendimiento media-alta.

Se refiere al porcentaje de losascon grietas transversales.

Se refiere a la acumulacióntotal de escalonamiento en las juntas(en ), este valor corresponde alvalor .

Se refiere a la edad delpavimento (en años).

Corresponde al porcentaje de

aire presente en el hormigón. Se refiere al porcentaje

de Agua cemento en el hormigón. Es el mayor número de ciclos

de hielo/deshielo en un año. Es 1,0 para juntas

selladas y 0 para juntas no selladas. Se refiere al índice de congelación

() Se refiere a la cantidad de

subgrado de material que pasa por la

malla N°200.

CRCP - Punzonamiento: Este correspondea un esfuerzo producido por tracciones enuna pieza debidas a los esfuerzostangenciales originados por una cargalocalizada en una superficie pequeña de unelemento bidireccional de hormigón,alrededor de su soporte. Este esfuerzo



produce un efecto puntual sobre su plano deapoyo.

En CRPC son el resultado de laformación longitudinal de grietas de arribahacia abajo cuando ocurre la fatiga entre 2

grietas adyacentes. Normalmente ocurrencerca de los extremos de las pistas, cuandola superficie del pavimento es cóncava y latransferencia de cargas entre la losa y lavereda es baja. La ocurrencia delpunzonamiento involucra una serie de pasossimilares al cálculo del escalonamiento(considerando las variaciones que ocurren encada mes).

El espaciamiento de la falla esimportante debido a que su ancho afecta a lo

largo de esta. El espaciamiento de la grietatransversal promedio en pulgadas secalcula como:

Además, el coeficiente de deslizamiento estádado por:

()

Y se tiene que el factor de tensión nominal deWestergard está dado por:

Dónde:

Corresponde a la resistencia a la

tracción a los 28 días (en ⁄ ). Es el coeficiente de fricción entre la

losa y la capa de soporte. Corresponde a la máxima tensión

de adherencia entre las barras deacero y hormigón (en ⁄ ).

Corresponde a la proporción delárea de acero de refuerzo divido por

la losa a lo largo de la sección (enporcentaje).

Es el diámetro de la barra de acerode refuerzo.

Es el espesor de la losa (en ).

Es la profundidad al acero de

refuerzo (en ). Es el coeficiente de deformación

de Bradbury, para un ancho típico delosa de .

Es la deformación total (en ⁄ ) en la profundidad del refuerzode acero, causado por el gradientede temperatura y contracción en elmes actual.

El equivalente de la tensión dedeformación entre la parte superior e

inferior de la losa (en ⁄ ) como elresultado entre el gradiente detemperatura y humedad para el mesactual.

JPCP & CRCP – Rugosidad (IRI): Larugosidad del pavimento según Guía deDiseño NCHRP 1-37A está en términos delÍndice de Rugosidad Internacional (IRI),donde se tiene que las relaciones utilizadaspara deducir este valor son empíricas,utilizando variables independientesrelacionadas con condiciones locales como laedad del pavimento y la fatiga presente.

10.- CONCLUSION.

Si bien es claro que el método mecánico-empírico es una gran avance para el diseñode pavimentos rígidos, debido a suflexibilidad ante las opciones de decisión,además de poseer una mayor compresióndel desempeño del pavimento formulado, es

claro que es solo un paso intermedio a unmétodo más completo, el cual puedaconsiderar todos los detalles no consideradospor este. Sin embargo en la actualidad, estemétodo representa, la forma más completa yracional de poder diseñar un pavimento,debido a que incluye muchas de laspropiedades mecánicas de los elementosconstitutivos del pavimento, dando la



oportunidad al diseñador, de poder modificarlos materiales a través de la modificación delas distintas propiedades mecánicas de estospara poder lograr los niveles de desempeñosesperados del proyecto. No nos brinda unespesor de capas como el método empírico

AASHTO, sino que predice elcomportamiento de un determinadopavimento para nuestra situación de diseñoimpuesta, lo que nos permite identificar demejor manera como cambia el desempeñode los pavimentos ante el cambio de estaspropiedades. Por todo lo expuesto es que sinduda para el caso de pavimentos rígidos, elmétodo MEPDG, es sin duda el método máscompleto y flexible que existe en laactualidad. 11.- REFERENCIAS

AASHTO,2008, “ Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide, Practical Manual ”.

NCHRP, 2004, “ Guide for Mechanistic-Empirical

Design, Part 3.Design analysis, Chapter 4. Design

of new and reconstructed rigid pavements ” Khanum T., Hossain M., Romanoschi S., Barezinsky R.,2005, “ Concrete Pavement Design

in Kansas Following the Mechanistic-Empirical

Pavement Design Guide ” , Kansas Department of

Transportation.

McCracken J., Vandenbossche J., Asbahan R.,

August 2008, “Effect of the MEPDG Hierarchal

Levels on the Predicted Performance of a Jointed

Plain Concrete Pavement”, International

Conference on Concrete Pavements • San

Francisco, California, USA.

Papagiannakis A., Masad, Editorial John Wiley &Sons,2008, “Pavement Design and Materials”.

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