DISEÑO PAVIMENTO RÍGIDO Resistencia del Concreto a la Flexión Esta resistencia se considera en el procedimiento de diseño por el criterio de fatiga, el cual controla el agrietamiento del pavimento bajo la acción repetida de las cargas de los vehículos pesados. La deformación que sufre un pavimento de concreto bajo las cargas produce esfuerzos de compresión y de tensión. in embargo, la relación relación entre los primeros y la resistenci resistencia a a la compresión compresión del concreto concreto es demasiado baja, como para afectar el diseño del espesor de la losa. La relación entre los segundos y la resistencia a la fle!ión es mucho mayor, llegando frecuentemente a valores mayores que ".#. $omo resultado de ella, los esfuerzos y la resistencia a la fle!ión son los factores que se deber%n considerar en el diseño del pavimento. El presente m&todo utiliza la resistencia a la fle!ión, medida por ensayos de modulo de rotura sobre vigas de '#" ! '#" ! (#" mm, carg%ndolas en los tercios de la luz, para un periodo de curado de )* días, por considerar que habr% pocas repeticiones de carga durante dicho lapso, en comparación con la gran cantidad que el pavimento deber% soportar posteriormente,
Caacidad de Soorte de la S!"rasante # la S!""ase La capacidad de soporte se mide en t&rminos del módulo de reacción +-, determinado por pruebas de placa directa, ver numeral ).#. ebido a que estas pruebas son complejas y costosas, el valor de se esti estima ma gene general ral mente mente por por corre correla laci ción ón con con prue prueba bass m%s m%s senc sencilillas las como como el $/0 $/0 o el ensa ensayo yo del del estabilometro de 1veem. Este procedimiento procedimiento es valido, valido, por cuanto no es indispensable indispensable la determinació determinación n e!acta e!acta del modulo , ya que variaciones no muy grandes, pr%cticamente no afectan los espesores necesarios de pavimento. Las relaciones que se muestran en la 2igura ) se consideran satisfactorias para efectos del diseño de un pavimento por este m&todo. Las subbases se recomiendan con el objeto de prevenir el fenómeno del bombeo, sin embargo, su presencia tiene como consecuencia un incremento en la capacidad de soporte del pavimento que se puede aprovechar para efectos de diseño porque puede disminuir en algo el espesor de la losa. En la Tabla 3.7 se muestra el incremento que es de esperar en el modulo si se coloca una subbase granul granular ar y en la Tabla 3.8 el que se logra con una subbase tratada con cemento. En los 3ltimos años se ha incrementado el uso de las subbases de concreto pobre.
Periodo de Dise$o El termino 4periodo de diseño4 se considera frecuentemente como sinónimo del termino 4periodo de an%lisis de tr%nsito4. 5uesto que es difícil predecir el tr%nsito con suficiente apro!imación para un tiempo largo, com3nmente se toma un lapso de )" años como periodo para el diseño de un pavimento rígido sin olvidar que en determinados casos, puede resultar económicamente justificado el empleo de periodos menores o mayores. El periodo de diseño que se elija afecta el diseño de espesores, puesto que determina cuantos años y consecuentemente, cuantos vehículos comerciales podr%n circular sobre el pavimento, en ese tiempo. La selección definitiva del periodo de diseño para un proyecto especifico, de be basarse tanto en el juicio
ingenieril, como en un an%lisis económico de los costos del pavimento y el servicio que este proporcione a lo largo de todo el periodo.
Factores de Se%!ridad de Car%a E6 m&todo de diseño e!ige que las cargas reales esperadas se multipliquen por unos factores de seguridad de carga +2sc-, recomend%ndose los siguientes7 5ara vías de carriles m3ltiples en las cuales se espera un flujo de tr%nsito interrumpido con un elevado volumen de tr%nsito pesado, 2sc 8 ',) 5ara carreteras y vías urbanas arterias en las que se espere un volumen moderado de tr%nsito de vehículos pesados, 2sc 8 ',' 5ara calles residenciales y otras vías que vayan a soportar bajos vol3menes de tr%nsito de camiones, 2sc 8 '," 9dem%s de los factores de seguridad de carga, el m&todo incluye cierto grado de conservatismo para compensar situaciones tales como un tr%nsito impredecible de camiones muy sobrecargados y las variaciones normales en los materiales, el proceso constructivo, y el espesor de las capas. En casos muy especiales, podría justificarse el empleo de un factor tan alto como ',: para mantener un nivel de servicio mayor que el normal, a trav&s del periodo de diseño. Ejemplo típico lo constituye una autopista urbana de tr%nsito muy alto y sin rutas alternas de desvío.
Es&!er'o E(!i)alente Los esfuerzos equivalentes son función del espesor de la losa y el del conjunto de la subrasante ; subbase, depende de la e!istencia o no de berma en concreto en el pavimento de diseño, en las Tablas 3-9,
Tabla 3-10,
Tabla 3-11 y
Tabla 3-12 se pueden interpolar los valores de
acuerdo a las características especificas.
Factor de Erosión e determina principalmente para controlar la erosión de la fundación y las bermas, el bombeo y el desnivel de las losas. e calcula interpolando en las tablas las cuales est%n determinadas por la e!istencia o no de dovelas de y bermas de concreto, y el factor depende del espesor de la losa, el del conjunto de la subrasante ; subbase y el eje tipo de eje.
Figura 3.3,
Figura 3.4.
Procedi*iento de Dise$o Portland Ce*ent Association Este m&todo de diseño se realiza con dos tipos de an%lisis7 por fatiga y por erosión, generalmente, el an%lisis de fatiga controlara el diseño de pavimentos para bajos vol3menes de tr%nsito +calles residenciales y vías secundarias- independientemente de si las juntas tienen a no dovelas. 5or su parte, el an%lisis de erosión suele controlar el diseño de pavimentos para vías de tr%nsito media y pesado en el caso de junta sin dovelas +del tipo de trabazón de agregados- y en pavimentos para tr%nsito pesado que tengan pasadores.
En pavimentos que reciben una mezcla normal de cargas par eje, los simples suelen ser los m%s severos en el an%lisis de fatiga, mientras que los tandem, lo son en el an%lisis de la erosión. 5ara realizar el diseño se requieren datos de entrada como el tipo de juntas y bermas, resistencia a la fle!ión del concreto a )* días,
subbase, 2actor de seguridad de carga 2$, istribución de cargas por eje, ?3mero esperado de repeticiones de las diversas cargas por eje en el carril de diseño durante el período de diseño, Las gr%ficas empleadas son las mismas, tanto para pavimentos de concreto simple con pasadores, sin ellos, como para pavimentos con refuerzo continuo. La 3nica diferencia la establece el tipo de berma que tenga el pavimento. Ejemplo de Diseño
5eriodo de diseño7 )" años @5 inicial7 ').A"" vehículos +'AB comerciales$recimiento anual del tr%nsito7 CB +2actor de proyección '.#= de la subrasante 8 )( D5a;m +'"" lb;pul:Dodulo de rotura del concreto 8 C.# D5a +#" lb;pul)5avimento sin berma de concreto Datos de distribución de cargas Tabla 3.13
Calculo K combinado
9sumo espesor de subbase de '"" mm 6nterpolo en la tabla :.': el valor correspondiente seg3n = subrasante dado = combinado7 :# D5a;m $%lculo del factor de seguridad de $arga 5ara vías de carriles m3ltiples en las cuales se espera un flujo de tr%nsito interrumpido con un elevado volumen de tr%nsito pesado, 2sc 8 ',) Cálculo del esfuerzo equivalente
5or ser un pavimento sin bermas en concreto interpolo en la @abla :.'' y hallo los esfuerzos equivalentes para ejes sencillos y tandem, respectivamente.
Cálculos de tránsito
Figura 3-5 orcenta!e de ca"iones en el carril derec#o de una carretera de carriles "$lti%les con se%arador central
Tabla 3.14
Sol!ción Espesor de la subbase7 '"" mm Espesor de la losa7 )C" mm $onsumo de fatiga7 *)B F '""B eficiente $onsumo de erosión7 C" B F '""B eficiente 0eserva resistencia a la fatiga7 '"" > *) 8 '*B disponible para cargas mayores a las contempladas en el diseño por eje.
Procedi*iento de Dise$o AAS+TO 5ara determinar el espesor del pavimento incluyen como par%metros de diseño el drenaje, la presencia de bermas y erosionabilidad de la base entre otras, buscando así incorporar el mayo n3mero posible de variables en el diseño del pavimento, q se resumen en la siguiente ecuación7
En donde7 G*) & ?3mero previsto de ejes equivalentes de *.) t +'*""" libras o *) =?-, a largo del periodo de diseño. Hr
& esviación est%ndar & Error est%ndar combinado en la predicción del tr%nsito y en la variación del
o
comportamiento esperado del pavimento
& Espesor del pavimento de concreto + en mm-
I56 & iferencia entre los índices de servicio inicial y final +5o > 5t5t
& Jndice de servicio final
Dr
& 0esistencia media del concreto en +D5a- a fle!otracción a los )* días +m&todo de
carga en los tercios de la luz-.
$d
& $oeficiente de drenaje
K
& $oeficiente de transmisión de cargas en las juntas.
Ec
& Dodulo de elasticidad el concreto, en D5a
=
& Dodulo de reacción, dado en Dpa;m de la superficie +base, subbase o subrasante-
en la que se apoya el pavimento de concreto. Jndice de servicio final +5t-7 e basa en el índice mas bajo tolerado antes de ser necesaria una rehabilitación, un refuerzo o una reconstrucción, se sugiere un valor de ).# o incluso superior en las vías de mayor trafico y de )." para las menos importantes. Jndice de servicio inicial +5o-7 Esta determinado de C.# en los pavimentos en concreto y de C.) en los de asfalto. ?3mero previsto de ejes equivalentes de *.) t +G *)-7 para los pavimentos en concreto se tienen nueve tablas para tres índices de servicio final y para cada uno de los tres ejes principales. Tabla 15
Tabla 1'
Tabla 17
Tabla 18
Tabla 19
Tabla 20
Tabla 21
Tabla 22
Tabla 23
5eriodo de diseño7 En general debe ser superior a )" años, en el cual se recomienda se incluya al menos una rehabilitación, depende principalmente del tipo de vía Tabla 24
istribución del tr%nsito7 El tr%nsito que se utiliza es el que circula por el carril de diseño, generalmente se admite que en cada dirección circula el #"B del tr%nsito total +puede variar ("B y :"B-, depende tambi&n del numero de carriles en cada dirección. Tabla 25
?iveles de confiablidad +0-7 se e!presa en función del tipo de vía. Tabla 2'
esviación ?ormal est%ndar + Hr-7 5ara un determinado conjunto de variables que influyen en el diseño de un pavimento, se sigue la ley de distribución normal con una media Dt y una desviación típica o. @odo esto asociado a un nivel de confiabilidad 0, de tal forma que haya una probabilidad igual a '0;'"" de que el tr%nsito realmente soportado sea inferior al valor Hro. Tabla 27
Error est%ndar +o-7 e recomienda adaptar valores comprendidos dentro de los siguientes intervalos7
5avimentos 0ígidos7 ".:" > ".C"
".:# 8 construcción nueva ".C" 8 sobracapas 5avimentos 2le!ibles7 ".C" > ".#" ".C# 8 construcción nueva ".#" 8 sobracapas 2actor de seguridad +2s-7 Es función del tr%nsito esperado en el carril de diseño seg3n la siguiente Tabla 28
$oeficiente de drenaje +$d-7 epende de la calidad del drenaje e!presada en la siguiente Tabla 29 y
Tabla 30
$oeficiente de transmisión de cargas +K-7 Este factor tiene en cuenta la capacidad del pavimento de concreto para trasmitir las cargas a trav&s de las discontinuidades o dispositivos de transmisión de cargas. Tabla 31
Dodulo de elasticidad +Ec-7 e puede e!presar en función de 2c +resistencia a la compresión del concreto- e!presada en D5a. Tabla 32
Dodulo de resiliencia +-7 depende de variables como el modulo de resiliencia de la subrasante, el espesor de la subbase y el coeficiente de elasticidad de la misma, que se convierten en los datos de entrada en el siguiente monograma.
Figura 3.' (o"ogra"a %ara deter"inar el "odulo de reacción co"%uesto de la subrasante, su%erando una %ro)undidad in)inita
5ara facilitar el c%lculo del espesor del pavimento por este m&todo se ha preparado un monograma que permite su aplicación inmediata. i adoptamos un módulo de reacción efectivo =8)" D5a;m Dódulo de elasticidad del concreto Ec 8 :#.""" D5a 0esistencia media del concreto a fle!otracción Dr8C. D5a de resistencia media $oeficiente de drenaje $d8'." Error est%ndar combinado o8".)A $onfiabilidad n8A#B I56 8 '.( deducido a partir de un valor inicial C.) y un valor final igual a ).# ?umero total G*) de ejes equivalentes de *) =? +*.) t-
*!e"%lo&
=
+
)"Dpa;m
o
+ ".)A
Ec
+
:#"""Dpa
0
+ A#B +Hf 8'.C#
Dr + C.Dpa
M5l + C.) ).# 8'.(
j
G*) + #.' N '"
+
:.)
$d + '."
olución 8 )#"mm
Figura 3.7 (o"ogra"a T/ %ri"era %arte
Figura 3.8 (o"ogra"a T/ segunda %arte. ag 34 i%riano