diseño pavimento rigido.metologia pca y aashto
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METODOS PARA DISEÑO DE PAVIMENTO RIGIDO METODOLOGIA PCA Y
AASHTO
ANGEL RICARDO IBAGON AGUILAR
WALTER DAVID GARCIA GONZALEZ
OCTAVIO VEGA
INGENIERO
ESCUELA DE INGENIEROS MILITARES. ESING
INGENIERIA CIVIL
PAVIMENTOS II
BOGOTA
2015
METODO DE LA PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (PCA) PARA
PAVIMENTOS RIGIDOS.
En este se pretende hallar los espesores mínimos de pavimento que representa
menores costos anuales, ya que es espesor cuando es menor presenta un mejor
comportamiento con bajos costos de mantenimiento pero un costo inicial alto , esto
nos lleva a realizar una adecuado equilibrio del diseño.
Tipos de pavimento rígido:
- Concreto simple.
- Concreto simple con varillas de transferencia, sin acero de refuerzo
- Reforzados con acero de refuerzo.
Consideraciones Básicas.
- el grado de transferencia de carga proporcionado por las juntas
transversales.
- El efecto de usar bermas de concreto, adyacentes al pavimento las cuales
reducen los esfuerzos a flexión y deflexiones producidas por las cargas de
vehículos.
- El efecto de subir una Subbase de concreto pobre, reduciendo las
deflexiones produciendo un mejor soporte.
Debemos tener en cuenta que la elección de un espesor adecuado de diseño en
este método depende de la elección de los factores adicionales o tradicionales
utilizados en los sistemas de juntas y bermas.
Factores De Diseño.
Cuando determinamos el tipo de pavimento a construir, tipo de Subbase y berma el
diseño se realizara a partir de loa siguientes factores;
- Resistencia a la flexión del concreto ( Modulo de rotura)
- Resistencia de la subrasante o del conjunto de ella-
- Los tipos de magnitudes y frecuencia de cargas por eje.
- El periodo de diseño, que usualmente se toma como veinte años, más o
menos.
Resistencia del concreto a la Flexión.
Se debe considerar en el procedimiento de diseño por el criterio de la fatiga, la cula
controla el agrietamiento del pavimento bajo la acción repetida de las cargas de los
vehículos.
Las deformaciones que soporta un pavimento son bajo las cargas de transito allí
se generan esfuerzos de compresión y tensión.
Se pueden medir la resistencia a la flexión por ensayos de rotura sobre vigas
Soporte de la Subrasante y Subbase.
Protección Del Transito
Los principales factores que influyen sobre las tasas de crecimiento del transito son;
- Transito atraído.
- Crecimiento Normal el tránsito.
- Transito Generado.
- Transito Desarrollado.
Factores De Seguridad De Carga.
El método de diseño exige que las cargas reales se multipliquen por unos factores
de seguridad de carga.
Tipo De Transito Factor De Seguridad
Tránsito Pesado 1.2
Transito medio 1.1
Transito Bajo 1.0
Análisis De Fatiga Y Erosión.
Las tablas y gráficos empleados son las mismas, tanto para pavimentos de concreto
simple como pasadores o sin ellos, como para pavimentos con refuerzo continuo.
La única diferencia la establece el tipo de berma que tenga el pavimento.
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EJERCICIO DE APLICACIÓN METODOLOGÍA PCA
Diseñar por el método PCA un pavimento de concreto simple para una vía de 4
carriles en la cual se espera un TPD inicial de 12900 vehículos de los cuales un 19
%son comerciales, se estima un crecimiento anual del tránsito de un 4% durante los
20 años del periodo de diseño, se han realizado un pesaje de cargas en la región y
los resultados arrojados por tablas.
Se asume un factor de seguridad de carga igual a 1.2, la subrasante es un arcilla
con un módulo de reacción K= 100 lb/pulg3 y se puede obtener un concreto con un
módulo de rotura (mR) de 4,5 Mpa, se solicita presentar una alternativa de diseño
de un pavimento que tenga varillas de transferencia, no posea bermas o bordillos
en concreto.
Solución:
Paso 1;
Se determina el K del diseño, ya que la subrasante es arcillosa se colocara una
capa de Subbase granular, con un espesor de 10 Cm y un módulo de reacción de
la subrasante de 27 Mpa/mm, se obtiene un K de diseño 3,60 Kg/ Cm3 realizando
la conversión 35 Mpa/ m o 130 lb/Pulga3.
Paso 2:
Se determina el número acumulado de vehículos comerciales en el carril de diseño
y durante el periodo de diseño entonces tenemos:
TPD inicial = 12900 vehículos
TPD durante el periodo de diseño 12900* 1.50 = 19350 vehículos en las dos
direcciones eso quiere decir que en una dirección tendríamos 9675 vehículos por
supuesto en los dos carriles.
Se estima el porcentaje de vehículos comerciales que usa el carril de diseño con el
valor de 9675, se obtienen un porcentaje de 0,8.
Paso 3.
Se determina el número de vehículos comerciales en el carril de diseño para el
periodo de del mismo:
𝑇 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 = 9675 ∗19
100∗ (365 ∗ 20)
Para un total de 10.880.000 vehículos comerciales.
Paso 4.
Los datos de carga por eje tanto para simples como para tándem, se acostumbran
a agruparlas en incrementos de 900 Kg para ejes simples y 1800 Kg para ejes
tándem, se asume un espesor de tanteo de 240 mm. Y se calculan los esfuerzos
equivalentes.
Estos se obtienen dividiendo el esfuerzo equivalente correspondiente entre el
módulo de Rotura.
1.44/ 4.5 = 0.32
Y para ejes tándem
1.35 / 4.5 = 0.3.
Paso 5.
Se determinan los factores de erosión por medio de las, se colocan las cargas tablas
correspondientes ingresando los datos de K = 35 Mpa y el espesor de tanteo de 240
mm.
Se ingresan los datos en una tabla por eje en forma decreciente para los dos tipos
de ejes, en una casilla continua se colocan los mismos valores multiplicados por el
Factor de Seguridad.
Se realiza los cálculos multiplicando el número de ejes por cada 1000 vehículos
comerciales por el numero esperado de V:C en el carril de diseño y durante el
periodo de diseño.
Un ejemplo seria para los valores de la primera fila
0,58 ∗10.880.000
100= 6310
Los cálculos anteriores se toman los valores de la siguiente tabla.
Analisis De Fatiga.
Se calculanmlaas repeticiones que admite el pavimento por fatiga, el calculo se
raliza dividiendo los valores de la columna numero tres de la columna 3 sobre los
valores de la columna cuatro y multiplicando su relacion por 100, el resultado es
colocado en la casilla 5, cuando realizamos la sumatori de toda esta casilla
obtenemos un consumo total de fatiga de 87%.
Analisi de erosion
Este se determina en bse a ñlas repeticiones de carga adminisibles , antes de que
el pavimento, estos valores se colocan en la columna 6 , los porcentajew de daño
se determinan dividiendo cada uno de los valores de la columna 3 por el
correspondiente de la columna 6 y multiplicando su relaion por 100, se realiza la
sumatoria de la columna 7 esto al igual que el analisis por fatiiga nos arroja un daño
total del 38,3% .
Se concluye que el espesor de la losa escogido por tanteo se considera adecuado
dado que los resultados totales de fatiga y erosion son menorrs que el 100%,
entonces podemos definir que el espesor del pavimneto rigido sera ,
LOSAS DEL DE CONCRETO DE 240 mm
SUBBASE GRANULAR DE 100 mm.
Espesor De Tanteo 240 mm, K Combinado = 35 Mpa /a, Módulo de Rotura = 4.5
Mpa, FSC = 1.2, Periodo De Diseño = 20 Años
1 2 3 4 5 6 7
133 160 6310 21000 30.0 1400000 0.5
125 150 14690 55000 26.7 2000000 0.7
115 138 30140 180000 16.7 3000000 1.0
107 118 64410 800000 8.1 5100000 1.3
98 107 106900 ilimitado 0 9200000 1.2
89 96 235800 20000000 1.2
80 307200 42000000 0.7
422500'
586900
183700
Ejes Tandem
231 277 21320 500000 4.3 910000 0.2
213 256 42780 350000 1.2 1500000 2.8
195 234 124900 ilimitado 0 2400000 5.2
178 214 372900 4000000 9.3
160 192 885800 7600000 11.6
142 160 930700 35000000 2.6
125 142 1636000 ilimitado 0
984900
1227000
1356000
Total 87 Total 38.3
Ejes sencillos
10 . Factor De Erosion 2.61
9. Factor de Relacion De esfuerzos 0.32
8. Esfuerzo equivalente 1.44
11. Esfuerzo Equivalente 1.35
12.Factor De Relacion De Esfuerzos 0.30
13. factor De Erosion 2.8
Analisis De Erosion
Repeticiones
Admisibles
Porcentaje
De Daño %
carga Por
eje KN
Mulltiplicado
Por FSC
Repeticiones
Esperadas
Analisis De Fatiga
Repeticiones
Admisibles
Porcentaje
De Fatiga %
METODO ASSHTO PARA DISEÑO DE PAVIMENTO RIGIDO
• Esta Metodología Se Basa En Los Siguientes Parámetros;
• Capacidad De Servicio Libras
• Cargas Equivalentes Sobre Ejes Sencillos De
• Modulo De Reacción De La Subrasante K
Factores De Diseño.
Las variables que intervienen para el diseño de pavimentos rígidos son tomadas en
base a un conocimiento empírico, por lo que es importante conocer y entender las
consideraciones que tienen que ver con cada una de ellas. La fórmula que propone
la guía AASHTO 93 para el diseño del espesor de la losa de pavimento rígido.
- Espesor. (D)
Es la variable que se pretende determinar al realizar un diseño de una estructura de
pavimento, el espesor se refiere solamente a la capa de concreto hidráulico que se
coloca sobre la subbase y/o subrasante.
- Tráfico.
Los resultados de la AASHO Road Test mostraron que el efecto dañino del paso de
un eje de cualquier peso puede ser representado por un número de repeticiones de
carga, equivalentes a 8.2 toneladas ó 18 Kips (ESAL’s), aplicadas en el carril de
diseño durante el periodo de diseño del pavimento, esta simplificación se realizó
debido a que en la época en que se desarrolló la AASHO Road Test, a principios de
1960, era mucho más sencillo utilizar un solo número para representa toda la carga
por tráfico en las ecuaciones usadas para predecir la vida del pavimento.
El tráfico se debe de convertir a ESAL’s por medio de la multiplicación de varios
factores, tal como lo define la guía AASHTO en el apéndice D se define con la
ecuacion;
- Coeficiente De Confiabilidad ( R ).
Es la probabilidad que la serviciabilidad o desempeño de la vía se mantenga en
niveles adecuados para las cargas del tráfico y condiciones ambientales, así como
también se mantenga en niveles adecuados desde el punto de vista del usuario
durante todo el periodo de diseño.
- Confiabilidad.
-
La confiabilidad es la variable en la cual se introduce un grado de certidumbre en
el diseño y un nivel de seguridad o factor de seguridad (FR) para que el pavimento
resista las cargas del tráfico en el periodo de diseño. El factor de seguridad (FR)
depende del nivel de confiabilidad (R) y del error estándar combinado (So), la
desviación normal estándar representa el rango de variación en la predicción del
tráfico en el periodo de diseño y depende del nivel de confiabilidad requerido.
- Módulo de reacción de la subrasante–subbase. (k)
El módulo de reacción de la subrasante-subbase, es una constante elástica que
define la rigidez del material o resistencia a la deformación. Es la relación entre
carga por unidad de área de superficie horizontal del suelo con el asentamiento
correspondiente de la superficie; este parámetro representa la capacidad portante
que posee un suelo en estado natural o con la combinación de una subbase, siendo
éste el que servirá para colocar la estructura de pavimento.
- Pérdida de serviciabilidad. (ΔPSI = P0 - Pt)
La serviciabilidad se define como la capacidad del pavimento de desempeñarse
adecuadamente ante todo tipo de tráfico que circula en la vía, se mide en una escala
del 0 al 5, en donde 0 (cero) significa pavimento intransitable y 5 significa pavimento
en excelentes condiciones, este factor es una medida subjetiva de la calificación del
pavimento; sin embargo, la tendencia es definirla usando parámetros como el índice
de regularidad internacional (IRI).
La serviciabilidad inicial (Po) es la condición de un pavimento inmediatamente
después de la construcción de éste, la guía AASHTO recomienda para pavimentos
rígidos un Po = 4.5, mediante el uso de adecuadas técnicas de construcción, la
serviciabilidad final (Pt) es la capacidad funcional que se espera tenga un pavimento
al final del periodo de diseño. La AASHTO sugiere que para carreteras principales
se utilice un valor de Pt = 2.5 ó 3.0 y para carreteras de bajo nivel un valor de
serviciabilidad final de 2.0.
ΔPSI = P0 – Pt
- Módulo De elasticidad Y Ruptura
El módulo de elasticidad del concreto (Ec), es la relación que existe entre el esfuerzo
y la deformación unitaria axial al estar sometido el concreto a esfuerzos de
compresión dentro del comportamiento elástico.
EC = 57 000 (f´c) 0.5 [psi]
- Coeficiente de transferencia de carga. (J)
El coeficiente J representa la eficiencia de transferencia de carga que tiene una losa
del pavimento al transmitir fuerzas cortantes a las losas adyacentes, esto tiene por
objeto minimizar las deformaciones y los esfuerzos en la estructura del pavimento.
Coeficiente de drenaje. (Cd)
El coeficiente de drenaje fue incorporado en la guía AASHTO para diseño de
pavimentos rígidos a raíz de los efectos del drenaje en el desempeño de la
estructura de pavimento, tales como el efecto de la humedad en la resistencia de la
subrasante y en la erosionabilidad de la subbase, para obtener el valor del
coeficiente de drenaje ver tablas.
Para definir el espesor total de la losa debemos graficar los datos obtenidos en el
siguiente Monograma.
EJERCICIO DE APLICACIÓN DISEÑO PAVIMENTO RIGIDO AASHTO
Con los siguientes parámetros calcule el espesor de la losa;
- Numero previsto de ejes equivalentes a 8.2 toneladas a lo largo del periodo
de diseño W 18 = 43 *10^6.
- Módulo de reacción de soporte Kd = 800 pci
- Módulo de rotura S`c = 4.5 Mpa = 640 psi
- Coeficiente de transmisión de carga J = 3.2
- Coeficiente De Drenaje Cd= 1.0
- Error estándar So = 0.35
- Confiabilidad R= 95%
- Índice de Servicialidad inicial Po = 3.5
- Índice e Servicialidad final Pt 0 1.5
Con los valores mínimos calculamos
Δ𝑃𝑆𝐼 = 3.5 − 1.5 = 2
Calculamos la desviación estándar ubicados en la tabla de la que hablamos
anteriormente el cual nos arroja una
𝑍𝑅 = −1.645
Tendríamos
Nombre De La Variable Unidades De La variable Valor De La Variable
Módulo De elasticidad K = PCI 800
Módulo De Ruptura Ec = PSI 640
Coeficiente Transferencia De Carga
J = Adim. 3.2
Coeficiente de drenaje Cd = Adim. 1
Perdida de Serviciabilidad
Adim 2
Confiabilidad R = % 95
Desviación estándar So = Adim 1.645
Carga Equivalente ESAL`s = KIP 43 * 10^6
Podemos reemplazar los valores en la siguiente ecuación;
Luego de Reemplazar los valores despejamos D, el cual es el espesor de la losa;
𝐿𝑜𝑔 ( 43 ∗ 106) = −1.645 ∗ 0.35 + 7.35 ∗ 𝐿𝑜𝑔 ( 𝐷 + 1) − 0.06 +log(
2
4.5−1.5)
1+ 1.624∗107
(𝐷∗1)8.46
+
(4.22 − 0.32(1.5)) ∗ log ∗ ( 640 ∗ 1 ∗ (𝐷0.75 − 1.1132)/ 215.63 ∗ 3.2 ∗ (𝐷0.75 −
18.42
(4∗106
800
)
0.25
Despejando D obtenemos un valor de D = 6.4 Pulg = 16.3 Cm
Si lo trazamos en el nomograma:
