Trabajo Práctico Nº 3 Conceptos básicos para diseño de pavimentos. Pavimentos flexibles Pavimentos rígidos

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Trabajo Práctico Nº 3

Conceptos básicos para diseño de pavimentos

Pavimentos flexibles Pavimentos rígidos

OBJETIVOS

Los pavimentos sirven fines estructurales, funcionalesy de seguridad.

ESTRUCTURAL: el pavimento sirve

a distribuir las cargas bajo las ruedas de los vehículos sobre áreas suficientemente amplias como para evitar tensiones (superiores a su capacidad) en la capa inferior del pavimento.

La carga de la rueda sobre la superficie del pavimento se aplica en un área muy reducida, causando grandes tensiones. Sin embargo estas tensiones van disminuyendo con la profundidad: el nivel de tensiones disminuye desde la capa superior a la inferior en las estructuras de pavimentos.

Distribución del peso de la rueda desde el punto de contacto hasta la última capa de suelo.

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68.07 Ingeniería del Transporte – UBA - 2007

Funcional: la estructura del pavimento está relacionada con los requisitos del

usuario de un andar suave y confortable.

La calidad de manejo se mide en términos de Indice de Serviciabilidad Presente (PSI), concepto desarrollado por la American Association of State Highway Officials (AASHTO). PSI se mide principalmente según la rugosidad del terreno referida a los deterioros producidos por el uso y edad de los pavimentos y es uno de los criterios utilizados para la toma de decisiones respecto al mantenimiento, rehabilitación y reconstrucción de pavimentos.

Los típicos deterioros de los pavimentos son: fisuras longitudinales y/o transversales, roturas, bacheos y ahuellamientos que afectan la integridad estructural de los pavimentos y el nivel de servicio.

Seguridad: relacionada con el desarrollo de la resistencia friccional y la

interacción pavimento-rueda. La fricción se asegura con la elección de los materiales y diversos tratamientos superficiales (por ejemplo texturizado). Otra característica relacionada con la seguridad es la reflectividad de la superficie del pavimento.

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Péndulo de fricción

Suelos: definiciones básicas

Nos interesa estudiar:

zCaracteristicas mecánicas de los suelos (granulometría) zCaracterísticas físicas de los suelos (Límites de Atterberg)

Recordar que:

Densidad de suelo seco:

Dss = Peso del suelo seco / Volumen total

Humedad de un suelo:

H(%) = (Peso de Agua / Peso de Suelo Seco) x 100

Límite Líquido (LL):

Máxima H(%) para que el suelo no fluya y sea trabajable.

Límite Plástico (LP):

Mínima H(%) para que el suelo no se resquebraje y sea trabajable.

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Materiales Granulares

Canto Rodado: Retenido en tamiz 3”.

Grava:Pasa tamiz 3” / Retenido por tamiz 10.

Arena Gruesa: Pasa tamiz 10 / Retenido por tamiz 40.

Arena Fina:Pasa tamiz 40 / Retenido por tamiz 200.

Materiales Cohesivos

Pasan tamiz 200.

5. Limo : IP < 10. 6. Arcilla: IP > 10.

Suelos: definiciones básicas

Granulometría

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INTRODUCCIÓN:

• El agua afecta significativamente el

comportamiento de las partículas finas de los suelos viales

• Diferentes partículas finas de los suelos se

comportan de formas distintas frente a la acción del agua

• Cómo puedo categorizar los suelos a partir de sus

partículas finas?

Límites Atterberg

Límite Plástico:

• Se realiza con la porción de suelo que pasa el

tamiz de 0.425 mm (#Nº40)

• Se define como el más bajo contenido de humedad

con el que al ser moldeado en barritas cilíndricas de menor diámetro cada vez, comienza a agrietarse cuando las barritas alcanzan a tener 3mm de diámetro

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Límites Atterberg – Límite Plástico

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Límite Líquido:

• Es la menor humedad a partir de la cual el suelo se

comporta como un líquido

• Se realiza con la porción de suelo que pasa el tamiz de

0.425 mm (#Nº40)

• Se define como el más bajo contenido de humedad

necesario para que las dos mitades de una pasta de suelo de 1cm de espesor fluyan y se unan en una longitud de 12mm en el fondo de la muesca que separa las dos mitades cuando la cápsula que la contiene golpea 25 veces desde una altura de 1cm y a la velocidad de 2 golpes por segundo

Límites Atterberg – Límite Líquido

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Límites Atterberg – Límite Líquido

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Límite de Contracción:

• Es la humedad para la cual el suelo no se contrae

cuando la humedad baja de ese límite, y se expande cuando la humedad aumenta sobre ese límite.

• Se realiza con la porción de suelo que pasa el

tamiz de 0.425 mm (#Nº40)

Límites Atterberg – Límite de Contracción

Límites Atterberg – Representación Grafica

V O L U M E N HUMEDAD LC LP LL 45º

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Existen varios sistemas de clasificación de suelos Los sistemas más comunes de clasificación son :

Unified Soil Classification System (USCS) Highway Research Board (HRB)

El sistema de clasificación HRB es el más comúnmente empleado para suelos de uso vial

Sistemas de Clasificación de Suelos

z Desarrollado para la industria de la construcción de

caminos

z Fundamentado en la observación de la estabilidad de

diferentes suelos bajo pavimentos de rutas y autopistas

z Posee siete grupos principales de suelos, A-1 a A-7

z Agrupados por granulometría, límite líquido e índice de

plasticidad

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Clasificación de Suelos – HRB

(2) El IP del Sug-Grupo A-7-5 es menor o igual que LL-30, y el IP del Sug-Grupo A-7-6 es mayor que LL-30 (1) La ubicación de A-3 antes que A-2 es necesaria para el “proceso de clasificación izquierda a derecha” y no indica superioridad de A-3 sobre A-2

Sentido de disminución de la calidad de los suelos como subrasante

A-7 A-7-5 A-7-6

P#Nº10 (2.00 mm) 50 max - - -

-P#Nº40 (0.425 mm) 30 max 50 max 51 max - - -

-P#Nº200 (0.075 mm) 15 max 25 max 10 max 35 max 35 max 35 max 35 max 36 min 36 min 36 min 36 min

Límite Líquido - 40 max 41 min 40 max 41 min 40 max 41 min 40 max 41 min

Índice de Plasticidad S/P 10 max 10 max 11 min 11 min 10 max 10 max 11 min 11 min (2)

Constitutivos

Significantes Arena fina

Comportamiento general

como subrasante Excelente a bueno Regular a malo

Características generales

Frag. de piedra,

grava, y arena Grava y arena limosa o arcillosa Limos Arcillas

Análisis granulométrico

Características de la fracción que pasa #Nº40

-6 max

A-4 A-5 A-6 A-1-a A-1-b A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7

Grupo de Clasificación

A-1

A-3 (1)

A-2 Clasificación General Materiales Granulares

(35% o m enos pasa #Nº200 -0.075m m-)

Materiales Limo-Arcillosos (más del 35% pasa #Nº200 -0.075mm-)

A-1 a A-3: Excelente a buen material para subrasante A-1: máxima estabilidad, menos del 50% pasa #Nº40,

menos del 25% pasa #Nº200 A-2: menos del 35% pasa #Nº200 A-3: arena fina

A-4 to A-7: Regular a pobre material para subrasante Más del 36% pasa #Nº200

Separación por límite líquido e índice plástico

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Clasificación de Suelos – HRB 70 60 50 40 30 A-7-6 20 _A-6 A-2-6 A-2-7 A-7-5 10 _A-4 A-2-4 A-5 A-2-5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Ín d ice d e P lasti ci d ad Límite Líquido

DIAGRAMA PARA DIFERENCIAR GRUPOS DE SUELOS EN FUNCIÓN DE LOS LÍMITES ATTERBERG

IP = LL - 30

Índice de Grupo(IG):

Se utiliza para evaluar y comparar suelos de la misma clasificación IG = (F-35)[0.2+0.005(LL-40)]+(F-15)(IP-10),

F = % pasa #Nº200 (0.075mm) LL = Límite Líquido

IP = Índice de Plasticidad

Se determina para los suelos finos y los sub-grupos A-2-6 y A-2-7 de los suelos granulares. Para estos sub-grupos sólo se aplica el tercer término de la ecuación

IG >= 0, si la ecuación da un valor negativo se adopta cero como IG

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COMPACTACIÓN DEL SUELO

DENSI D A D (kg /m3) HUMEDAD % ENERGÍA DE COMPACTACIÓN Densidad Proctor Dss H A Hop Dmax

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Relación entre Tensión y Deformación – Ensayos

Empíricos:

CBR (California Bearing Ratio, AASHTO T-193) o VSR (Valor Soporte Relativo, VN E-6).

k (Módulo de Reacción de la Subrasante, AASHTO T-222)

Racionales: Ensayo triaxial

Módulo Resiliente (AASHTO T-294)

INTRODUCCIÓN:

El CBR de un suelo es la relación, en %, entre el

esfuerzo necesario para penetrar un pistón de

dimensiones dadas a una velocidad prefijada

hasta una profundidad determinadaen la muestra

del suelo analizado, y la presión correspondiente

para la misma penetración en una muestra patrón

con características ideales

El CBR o valor soporte relativo de los suelos establece, en forma indirecta, una medida de resistencia al corte

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El valor soporte relativo de un suelo dependederá:

• Características fisico químicas del mismo,

• Densidad seca,

• Forma de compactación,

• Humedad con la que fue compactado,

• Humedad al momento del ensayo de CBR

• Sobrecarga aplicada al momento del ensayo de

CBR

CBR – Condiciones de Ensayo

z Humedad de compactación: Pequeñas variaciones en

el contenido de humedad de compactación afectan significativamente el CBR

z Sobrecarga: incrementa el CBR de los suelos

friccionales y disminuye el hinchamiento de los suelos cohesivos

z Humedad de ensayo: el ensayar el suelo en

condiciones de embebimiento equivale a proyectar en las más desfavorables condiciones a que puede llegar un pavimento

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CBR – Ensayo “IN SITU”

CBR – Ensayo Dinámico –Compactación

Completo (15 probetas compactadas) Simplificado (3 probetas compactadas) Este ejemplo corresponde a un material friccional con

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CBR – Ensayo de Penetración

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CBR – Ensayo Dinámico Completo - Resultados

(+) (+) (+) (+) Hinchamiento VSR Humedad (+) (+)

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CBR – Correlación y Valores Orientativos

Resistencia [kg/cm

2

_]

_≅

_{100 * CBR (para}

suelos finos cohesivos)

Hinchamiento <= 2% no presenta potenciales

problemas

Valores orientativos de CBR o VSR según la

función del material en el paquete estructural:

Base: CBR >= 80% Base: CBR >= 80% Subbase

Subbase: CBR >= 40%: CBR >= 40%

Subrasante

Subrasante buenabuena: CBR : CBR

≅

8%8%

Subrasante regular a

Subrasante regular a pobrepobre: CBR : CBR entreentre5% y 1%5% y 1%

Módulo de Reacción de la Subrasante (k)

INTRODUCCIÓN:

El El mómódulodulo de de reaccireaccióónn de la subrasante (de la subrasante (kk) de un ) de un

suelo

suelo se define comose define como la la relacirelacióónnentreentre el el presipresióónn

aplicada

aplicada mediantemediante un un platoplato o disco, de o disco, de secciseccióónn

dada, a la subrasante y la

dada, a la subrasante y la penetracipenetracióónn o o

deflexi

deflexióónn resultanteresultante (AASHTO T-(AASHTO T-222 y ASTM D222 y ASTM D- -1195)

1195)

El El kk midemide la la resistenciaresistencia ((o o capacidadcapacidad soportesoporte) )

del material de subrasante a ser

del material de subrasante a ser comprimidocomprimido bajobajo

la

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k – Ensayo del plato de carga - Esquema

k – Consideraciones sobre su determinación

Para su determinación debe aplicarse una presión

con el plato de cargasimilara la que le transmitirá el

pavimento en servicio:

En general se En general se aplicanaplican10psi (0.7kg/cm10psi (0.7kg/cm22₎₎

El valor k depende además del diámetro del plato:

La La deflexideflexióónn generalmentegeneralmente aumentaaumenta cuandocuando el el tama

tamaññoodel del platoplatodisminuyedisminuye(para(parapresiópresiónncte)cte)

Para Para pavimentospavimentosrírígidosgidosse adoptase adopta un diun diáámetrometro de 30

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k – Aplicación en la teoría de Westergaard

Para la correspondencia de los resultados en

pavimentos rígidos con la teoría desarrollada por

Westergaard el valor k determinado con el ensayo del plato debe ser establecido para una deflexión de 0.05” (1.25mm)

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TIPOS DE PAVIMENTO: PAVIMENTO FLEXIBLE

PAVIMENTO FLEXIBLE: la totalidad de la estructura interviene en la distribución de las cargas. Dicha distribución depende de la trabazón entre agregados, la fricción entre partículas y cohesión (estabilidad). La calidad de la subrasante se mide en términos de módulo resiliente (CBR).

TIPOS DE PAVIMENTO: PAVIMENTO RIGIDO

PAVIMENTOS RÍGIDOS: las cargas son absorbidas por la losa de hormigón, las capas inferiores deben servir de apoyo. La subrasante se mide en términos de “módulo de reacción de la subrasante” (kg/cm3)

Juntas de contracción y alabeo: hendidura 4.5 cm cada 5 m.

Juntas longitudinales: barras de unión de acero conformado

Junta transversal: pasador de acero liso mitad engrasado

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PAVIMENTOS RIGIDOS: Tipos de juntas

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PAVIMENTOS RIGIDOS: Distribución de juntas Areas Areas grandes. grandes. Areas Areas peque pequeññasas Distrib. De cargas Distrib. De cargas Mas Mas Menos Menos Duraci Duracióónn Mas Mas Mas Mas Rugosidad Rugosidad Menos Menos Mas Mas Comodo Comodo Menos Menos Mas,

Mas, masmas

Mantenimiento Mantenimiento Mas Mas Menos Menos Costo inicial Costo inicial Rigido Rigido Flexible Flexible Caracter

Caracteríísticassticas

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DISEÑO DE PAVIMENTOS

El diseño de pavimentos incluye:

Elección del tipo de pavimento (flexible, rígido y compuesto) Diseño de la estructura (bases, subbases, dosificación de agregados)

Selección de las capas de suelo dentro de la estructura Diseño de los espesores de las distintas capas

Los factores que determinan el diseño del pavimento son: La carga de tráfico

Los suelos y los materiales El entorno

Confianza

CARGA DE TRAFICO

Es el factor más importante para el diseño de pavimentos puesto que determina el espesor del mismo.

Depende del peso de los ejes, el volumen y la composición del tráfico y la presión de los neumáticos.

El cálculo de la carga del tráfico varía según los métodos utilizados. El método AASHTO utiliza ejes equivalentes de 18 kips ESALs (Equivalent single axe load) todo el tráfico es trasformado a cargas de eje simple de 18.000 lb.

Otros métodos utilizan el TMDA y el porcentaje de vehículos pesados.

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68.07 Ingeniería del Transporte – UBA - 2007 SUELOS

Suelos débiles o inestables pueden requerir algún tipo de tratamiento para mejorarlo.

La propiedad más importante de los suelos es el módulo resiliente que representa su capacidad de recuperación de deformación a una determinada carga.

ENTORNO

Lluvias, humedad y temperatura. Procesos de congelamiento y deshielo.

CONFIANZA

80% a 99% para la mayoría de los casos.

DISEÑO DE PAVIMENTOS

MÉTODOS DE DISEÑO

Existen dos grandes clasificaciones de métodos de diseño:

Método tradicional experimental/estadístico de AASHTO. Basado en datos reales y relevados continuamente de las carreteras de los Estados Unidos. El modelo es una modelización estadística según el comportamiento de una gran cantidad de tipos de pavimento.

Método mecanisistico/empírico del Asphalt Institute y la Portland Cement Association. Basado en modelizaciones teóricas del comportamiento del pavimento: el pavimento se lo asemeja a un estrato multicapa de comportamiento elástico en una fundación elástica. El método es calibrado con experiencias.

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GESTIÓN DE PAVIMENTOS

Un sistema de gestión de pavimentos coordina distintas actividades asociadas al diseño, planeamiento, construcción, mantenimiento, investigación y evaluación de pavimentos.

Los sistemas se estructuran alrededor de tres etapas:

1. Relevamiento sistemático de las condiciones (estructurales, superficiales, etc.) de los pavimentos.

2. Diagnóstico: ordenamiento de prioridades, estudio de alternativas 3. Implementaciónde alternativas

EJEMPLO: AUSCULTACIÓN DE PAVIMENTOS

La campaña de auscultación deflectométrica se realiza con un deflectómetro por impacto tipo Falling Weight Deflectometer (FWD). Consiste en la aplicación de cargas en la superficie del pavimento, midiendo la respuesta estructural del mismo en términos de deflexiones superficiales. El equipo FWD aplica en la superficie del pavimento una carga dinámica en forma de impulso similar, tanto en duración como en magnitud, a la producida por los vehículos las aeronaves más pesadas que operan en el aeropuerto.

El equipo utiliza sensores (geófonos), los cuales efectúan las determinaciones de deflexiones producidas por la carga. Los mismos se distribuyen a 0, 30, 60, 90, 120,150 y 180 cm del centro del plato de carga, tal como fue solicitado. La carga aplicada, puede variar, por ejemplo entre 3.000 kg hasta 15.000 kg, distribuida en un plato de carga de 0.30 m de diámetro.

El objetivo principal de las mediciones efectuadas es estudiar el estado del pavimento y los parámetros estructurales del mismo en las diferentes secciones.

La transferencia de carga entre losas adyacentes constituye un importante parámetro en la evaluación estructural de pavimentos de hormigón, ya que las juntas corresponden generalmente a las áreas de mayor deterioro observado en las losas.

Otro aspecto importante es la evaluación de la eficiencia de juntas en pavimentos de hormigón GESTIÓN DE PAVIMENTOS

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Pavimentos rigidos

Los pavimentos rígidos son aquellos en los que la capa superior del pavimento está compuesta por hormigón.

La caracteristica más notable del pavimento rígido es su resistencia a compresión, muy superior a la de tracción. Para soportar esfuerzos de tracción se les colocan barras o se los pretensan.

Función de las subbases

Pavimentos Rígidos Solicitan la subrasante

con bajas tensiones

Porqué puede ser

necesaria la interposición

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Subbases _{Soporte uniforme y estable}

1) Previenencontracciones e hinchamientos excesivos de los suelos caracterizados por altos cambios

volumétricos

2) Colaboran en el control de levantamientos diferenciales o excesivos por acción de heladas

3) Previenenel fenómeno denominado “bombeo”de los suelos finos

Bombeo

Definición: eyección forzada de una mezcla de suelos finos y agua a través de las juntas.

Causas:

Subrasante con suelo susceptiblede entrar en suspensión

Agua libreentre el pavimento y la subrasante Pasaje frecuente de cargas pesadas

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El bombeo puede ser evitado interponiendo, entre el pavimento y la subrasante, materiales no susceptiblesa este fenomeno (ejecuciónde una subbase)

3) Previenenel fenómeno denominado “bombeo” de los suelos finos

Función de las subbases La principal razón para la ejecución de subbases es prevenir el

bombeo, para lo cual alcanza con espesoresmínimos constructivos (10cm - 15cm)

No se justifica económicamente ejecutar subbases con el objetivo

de aumentarla capacidad portantede las capas inferiores de la losa de hormigón

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Equipo cortador de cancha “Trimmer”

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Descarga de hormigón

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Equipo pavimentador

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Aserrado de juntas

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