DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS PARA CALLES Y CARRETERAS

(1)

DISEÑO DE PAVIMENTOS

RÍGIDOS PARA CALLES Y

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CONTENIDO

Método de diseño PCA

Método de diseño PCA simplificado

Diseño de juntas

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Los estudios teóricos del comportamiento de losas y los desarrollos recientes de análisis de esfuerzos y deformaciones en pavimentos rígidos

Pavimentos experimentales sometidos a tránsito controlado, como los de Bates, Pittsburg, Maryland y AASHO

El estudio del comportamiento bajo servicio de pavimentos normalmente construidos, sometidos a tránsito mixto, el cual ha constituido la mayor fuente de conocimiento

DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS PARA CALLES Y CARRETERAS

BASES DE LOS CRITERIOS ACTUALES PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS

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MÉTODOS DE DISEÑO

MÉTODO DE DISEÑO

PCA

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MÉTODO DE DISEÑO PCA

Generalidades

Publicado en 1966 y actualizado en 1984

Es aplicable a:

— Pavimentos de concreto simple con juntas — Pavimentos de concreto reforzado con juntas — Pavimentos con refuerzo continuo

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Generalidades

Los esfuerzos y deflexiones críticas se han calculado y combinado con criterios de diseño, para desarrollar tablas y gráficas de diseño

Los criterios de diseño consideran: —Análisis de fatiga

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 Reconoce que el pavimento puede fallar por fatiga del concreto

 Se basa en el cálculo de esfuerzos por cargas en el borde de las losas, a medio camino entre juntas transversales

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Los esfuerzos debidos al alabeo no son considerados en el diseño

La magnitud de los esfuerzos críticos se reduce si las bermas se anclan al pavimento

 El análisis de fatiga controla los diseños de pavimentos delgados para bajo tránsito, independientemente del tipo de transferencia de carga en las juntas transversales

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La resistencia a la fatiga se basa en la relación de esfuerzos:

Se considera que la resistencia a fatiga no consumida por una carga queda disponible para ser consumida por las repeticiones de otras cargas (Ley de Miner)

ANÁLISIS DE FATIGA concreto del rotura de Módulo eje por carga la por producido Esfuerzo

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(12)

 Considera que el pavimento falla por bombeo, por erosión del soporte y por escalonamiento de las juntas

La deflexión más crítica ocurre en la esquina de la losa, cuando la carga está situada en la junta, en cercanías de la esquina

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La deflexión en la esquina de la losa se reduce si la berma está anclada al pavimento o si la losa es lo suficientemente ancha como para que las llantas circulen lejos del borde de la losa

 El análisis de erosión controla el diseño de los pavimentos espesos para tránsito medio y pesado cuando la transferencia de carga es por trabazón de agregados y controla el diseño para tránsito pesado cuando la transferencia es por varillas

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FACTORES DE DISEÑO DEL PAVIMENTO

Factor Medida

Soporte Módulo de reacción (k) de la subrasante o del conjunto subrasante - subbase, si esta última se coloca

Resistencia del concreto Resistencia de tracción por flexión con carga en los tercios medios. Se utiliza una resistencia de diseño a 28 días de curado de la mezcla y se denomina módulo de rotura.

Cargas del tránsito Se debe conocer el espectro de cargas por eje y

proyectarlo durante el periodo de diseño del pavimento. Las cargas incluyen un factor de seguridad según la

intensidad del tránsito (1.0, 1.1, 1.2)

Otros factores Tipo de transferencia de carga en juntas transversales. Presencia de bermas de concreto ancladas al pavimento

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CONSIDERACIONES DE DISEÑO

 La resistencia de cada suelo se debe expresar en términos del módulo de reacción (k)

 No se requiere realizar correcciones de ―k‖ por efectos estacionales

 Se permite la determinación de ―k‖ por correlación con el CBR

CBR (%) 3 4 5 8 10 20

k (pci) 100 120 140 175 200 250

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 La colocación de una subbase para prevenir el bombeo (granular o estabilizada) y para brindar un apoyo más uniforme a las losas, se traduce en un incremento del módulo de reacción del soporte (k), el cual se aprovecha en el diseño del espesor de las losas

(17)

(18)

 Los esfuerzos que sufre un pavimento rígido bajo carga son de compresión y tensión

Los esfuerzos de compresión son muy bajos respecto de la resistencia a la compresión del concreto

 Los esfuerzos de tensión pueden representar una fracción importante de resistencia a flexión, razón por la cual son éstos los que se consideran en el diseño del pavimento

(19)

(20)

El diseño hace uso del valor de fatiga del concreto bajo flexión repetida

 El criterio de fatiga se basa en la hipótesis de que la resistencia a fatiga no consumida por las repeticiones de una determinada carga queda disponible para las repeticiones de las demás

 El consumo total de fatiga no deberá exceder de 100%

 La ecuación de fatiga está incorporada en las gráficas de diseño

(21)

 El método exige el conocimiento del espectro de cargas por eje, discriminado por tipo de eje (simple, tándem, triple)

 El espectro actual debe proyectarse al futuro de acuerdo con la tasa de crecimiento anual de tránsito, para determinar el número esperado de aplicaciones de cada grupo de carga por eje durante el periodo de diseño que, generalmente, es 20 años

(22)

Las magnitudes de las cargas por eje se deben afectar por un factor de seguridad:

—Vías con un flujo importante de tránsito pesado, FSC=1.2

—Vías con moderado volumen de tránsito de vehículos pesados, FSC= 1.1

—Vías residenciales y otras con bajo volumen de tránsito, FSC = 1.0

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I - Tipo de transferencia de carga en las juntas transversales

 El método considera dos sistemas:

—Por varillas para la transferencia de carga (pasadores)

— Por trabazón de agregados

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 La inclusión de varillas para la transferencia de carga (pasadores) en la juntas trasversales de contracción mejora el comportamiento del pavimento en relación con la posibilidad de falla por escalonamiento, en particular cuando los volúmenes de tránsito son elevados

(25)

Otros factores

(26)

Otros factores

(27)

II - Uso de bermas de concreto

 El empleo de bermas de concreto ancladas al pavimento produce alguna transferencia de carga que da lugar a reducciones en los esfuerzos de flexión y en las deflexiones producidas por las cargas de los vehículos, las cuales se pueden traducir en una disminución del espesor de diseño

(28)

II - Uso de bermas de concreto

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TABLAS Y GRÁFICAS DE DISEÑO

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TABLAS Y GRÁFICAS DE DISEÑO

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TABLA PARA EL CÁLCULO DEL ESFUERZO EQUIVALENTE PARA

EJE SENCILLO EN UN PAVIMENTO SIN BERMAS DE CONCRETO (PARCIAL) (EJE SIMPLE/EJE TÁNDEM)

50 100 150 200 300 500 700 4.0 825/679 726/585 671/542 634/516 584/486 523/457 484/443 4.5 699/586 616/500 571/460 540/435 498/406 448/378 417/363 5.0 602/516 531/436 493/399 467/376 432/349 390/321 363/307 5.5 526/461 464/387 431/353 409/331 379/305 343/278 320/264 6.0 465/416 411/348 382/316 362/296 336/271 304/246 285/232 6.5 417/380 367/317 341/286 324/267 300/244 273/220 256/207 k combinado (lb/pg3) Espesor losas(pg)

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GRÁFICA PARA ANÁLISIS DE FATIGA

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TABLA PARA EL CÁLCULO DEL FACTOR DE EROSIÓN PARA EJE SIMPLE EN UN PAVIMENTO CON SISTEMA DE TRANSFERENCIA POR

VARILLAS Y SIN BERMAS DE CONCRETO (PARCIAL) (EJE SIMPLE/EJE TÁNDEM)

50 100 200 300 500 700 4.0 3.74/3.83 3.73/3.79 3.72/3.75 3.71/3.73 3.70/3.70 3.68/3.67 4.5 3.59/3.70 3.57/3.65 3.56/3.61 3.55/3.58 3.54/3.55 3.52/3.53 5.0 3.45/3.58 3.43/3.52 3.42/3.48 3.41/3.45 3.40/3.42 3.38/3.40 5.5 3.33/3.47 3.31/3.41 3.29/3.36 3.28/3.33 3.27/3.30 3.26/3.28 6.0 3.22/3.38 3.19/3.31 3.18/3.26 3.17/3.23 3.15/3.20 3.14/3.17 6.5 3.11/3.29 3.09/3.22 3.07/3.16 3.06/3.13 3.05/3.10 3.03/3.07 Espesor losas(pg) k combinado (lb/pg3)

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GRÁFICA PARA ANÁLISIS DE EROSIÓN

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MODELO DE HOJA DE CÁLCULO

Proyecto:

Espesor: cm Juntas con dovelas:

ksist.: MPa/m Bermas de concreto:

fctM,k: MPa Período de diseño (años):

Fsc:

ANÁLISIS DE FATIGA ANÁLISIS DE EROSIÓN CARGAS CARGAS NÚMERO NÚMERO CONSUMO NÚMERO DAÑOS POR POR EJE POR EJE REPETICIONES REPETICONES DE FATIGA REPETICIONES EROSIÓN

(kN) x Fsc ESPERADAS ADMISIBLES (%) ADMISIBLES (%) 1 2 3 4 5 6 7

EJES SENCILOS Esf. equivalente: Factor de erosión: Factor de relación de esfuerzo:

EJES TÁNDEM Esf. equivalente: Factor de erosión: Factor de relación de esfuerzo:

EJES TRÍDEM Esf. equivalente: Factor de erosión: Factor de relación de esfuerzo:

TOTAL TOTAL

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Inclusión de datos de entrada en la hoja de cálculo

Espesor de tanteo de losas de concreto

Módulo de reacción de la subrasante o del conjunto subrasante - subbase

Módulo de rotura promedio del concreto

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Factor de seguridad de carga adoptado

Sistema de transferencia de carga en las juntas transversales

Presencia o ausencia de bermas de concreto

Periodo de diseño del pavimento

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 Esfuerzo equivalente para ejes simples, tomado de la tabla que corresponda (pavimento con o sin berma) en función del espesor de tanteo y del ―k‖ de diseño

Relación de esfuerzos para ejes simples = Esfuerzo equivalente para ejes simples / Módulo de rotura del concreto

Factor de erosión para ejes simples, tomado de la tabla que corresponda, según los tipos de confinamiento y transferencia de carga, en función del espesor de tanteo y del ―k‖ de diseño

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Esfuerzo equivalente, relación de esfuerzos y factor de erosión para ejes tándem con un procedimiento similar al de los ejes simples

Inclusión del espectro de cargas elegido (columna 1)

Multiplicación de cada valor de carga x FSC (columna 2)

Inclusión de número de repeticiones esperadas de cada carga por eje (columna 3)

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Análisis de fatiga

 Para cada una de las cargas por eje simple de la columna 2 y la relación de esfuerzos para ejes simples, se determina el número admisible de repeticiones de carga en la gráfica de análisis de fatiga y se coloca en la casilla correspondiente de la columna 4

 Si el número de repeticiones admisible resulta superior a 10,000,000, se escribirá ―ilimitado‖ en la casilla correspondiente

(41)

Análisis de fatiga

Se procede de manera similar con las cargas por eje tándem

 Se calcula el consumo de fatiga de cada una de las cargas por eje simple y tándem, dividiendo los valores de la columna 3 por los valores de la columna 4. Se coloca cada resultado en la columna 5, como porcentaje

 La suma de todos los valores de la columna 5 será el consumo total de fatiga, correspondiente al espesor de tanteo escogido

(42)

Análisis de erosión

 Para cada una de las cargas por eje simple de la columna 2 y el factor de erosión para ejes simples, se determina el número de repeticiones admisibles por este concepto en la gráfica que corresponda (según si el pavimento tiene o no bermas de concreto) y se coloca en la casilla correspondiente de la columna 6

 Para repeticiones mayores de 100,000,000, se escribe ―ilimitado‖

(43)

Análisis de erosión

Se procede de manera similar con las cargas por eje tándem

Se calcula el daño relativo por erosión, relacionando, en porcentaje, los valores de las columnas 3 y 6

 Se colocan los valores calculados en la columna 7

 La suma de todos los valores de la columna 7 es el daño total por erosión correspondiente al espesor de tanteo escogido

(44)

Análisis de resultados

 El espesor de losas escogido para el tanteo se considera inadecuado si el consumo total de fatiga o el daño total por erosión superan 100%

 En este caso, se realiza otro tanteo con un espesor de losas mayor

 Si los totales son mucho menores que 100%, se debe realizar otro tanteo con un espesor menor

(45)

Análisis de resultados

Para disminuir el número de tanteos, el efecto del espesor sobre los daños por fatiga y erosión se ajusta a una proyección geométrica

 Por ejemplo, si el consumo de fatiga para un espesor de 20 cm resultó 178% y para uno de 24 cm fue 33%, el consumo de fatiga para 22 cm será

%

77

33 *

178 

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PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

HOJA DE CÁLCULO CON TANTEO DE DISEÑO

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OTRAS POSIBILIDADES DEL MÉTODO DE LA PCA  El método contempla la posibilidad de incluir capas de subbase de concreto pobre e incluye gráficas de diseño para ello

 Se tiene en cuenta la presencia de ejes triples, los cuales se procesan en una hoja de cálculo extra

 Se considera que cada eje triple equivale a 3 ejes simples, cada uno de ellos con una carga igual a la tercera parte del eje triple y se emplean las tablas y escalas gráficas correspondientes a los ejes simples para los cálculos de fatiga y erosión

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DISEÑO MEDIANTE PROGRAMAS DE CÓMPUTO Existen programas de cómputo que realizan los tanteos con gran rapidez, a partir de los parámetros básicos de diseño (ejemplo: programa BS-PCA)

(49)

PROGRAMA BS-PCA

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PANTALLA CON DATOS DE ENTRADA Y RESULTADOS

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MÉTODOS DE DISEÑO

MÉTODO DE DISEÑO

PCA SIMPLIFICADO

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Generalidades

 Este método se aplica cuando no se dispone de datos sobre el espectro de cargas

 La PCA ha generado unas tablas de diseño basadas en volúmenes de tránsito mixto que representan diferentes categorías de calles y carreteras de los Estados Unidos de América

 Su aplicación en otros medios debe ser cuidadosa, debido a las diferencias en las costumbres del tránsito, en particular las cargas máximas por eje

(53)

Generalidades

El tránsito y el soporte se caracterizan de manera diferente al método general de la PCA

 El módulo de rotura del concreto y las condiciones de transferencia de carga y confinamiento lateral se analizan de la misma manera

 Los factores de seguridad de carga están incorporados en las tablas de diseño, las cuales han sido elaboradas para un periodo de diseño de 20 años

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CLASIFICACIÓN DEL TRÁNSITO

TPD (ADT)

* TPD VC

(ADTT)

Ejes simples Ejes tándem

Calles residenciales

Carreteras secundarias de tránsito bajo y medio

Calles colectoras

Carreteras secundarias de mayor tránsito

Vias arterias de bajo tránsito Vías arterias y carreteras primarias de tránsito medio

3000-12000 (2 carriles) Vias expresas de tránsito bajo y

medio 3000-50000 (4 carriles) 3000-20000 (2 carriles) 3000-150000 (4 carriles o más) Descripción de la vía

Tránsito Máximas cargas por eje, kips (t)

1

3 2 Categoría

Vias arterias primarias y expresas de alto tránsito

25 ó -500-5000+ 1500-8000+ 40 -1000 200-800 700-5000

CATEGORIAS DE CARGA POR EJE

34 (16) 60 (27) 26 (12) 44 (20) 22 (10) 36 (16)

30 (14) 52 (24)

4

* Se excluye todo vehículo de 2 ejes y 4 llantas

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Consideraciones sobre TPD (ADT) y TPDvc (ADTT)

 TPD (ADT) es el tránsito promedio diario en ambas direcciones, el cual incluye todos los vehículos

 TPDvc (ADTT) es el tránsito promedio diario en ambas direcciones, de vehículos comerciales (vehículos con 6 o más llantas)

MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA

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Consideraciones sobre TPD (ADT) y TPDvc (ADTT)

Los valores de TPD y TPDvc que se usan para el diseño deben ser valores promedio durante el periodo de diseño, por lo que los valores iniciales deben ser afectados por factores de proyección que dependen de la tasa anual de crecimiento del tránsito

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CLASIFICACIÓN DEL SOPORTE

Tipo de soporte

Tipo de suelo Rango típico de k (pci)

Bajo Suelo de grano fino donde predominan partículas de limo y arcilla

75-120

Medio Arenas y mezclas de grava y arena con cantidades moderadas de partículas finas

130-170

Alto Arenas y mezclas de gravas y arenas relativamente libres de finos plásticos

180-220

Muy alto Subrasantes protegidas con subbases tratadas con cemento

250-400

(58)

PASOS PARA EL DISEÑO

 Se elige una categoría de tránsito

 Lo correcto es basarse en la descripción del tipo de vía y las cargas máximas esperables por eje, más que en los valores de TPD y TPDvc, los cuales han sido incluidos para ilustrar valores típicos

 Se determina el tipo de soporte

(59)

PASOS PARA EL DISEÑO

Se establecen las características de transferencia de carga y confinamiento lateral del pavimento

 Se escoge la tabla de diseño apropiada para los parámetros citados

 Se halla el espesor de losas de concreto requerido, según el módulo de rotura de diseño de la mezcla

(60)

EJEMPLO DE DISEÑO

Datos del problema

Vía arteria de dos carriles

TPD de diseño = 6,200 vehículos

TPDvc de diseño = 630 vehículos comerciales

No se espera la acción de cargas inusualmente altas o bajas

Suelo de subrasante arcilloso (k = 80 lb/pg3)

Subbase granular de 4 pulgadas de espesor

Módulo de rotura del concreto = 650 lb/pg2

Transferencia de cagas por varillas

(61)

Solución del problema

Considerando el tipo de vía y el hecho de que no habrá cargas excepcionales, se escoge la Categoría 3 de tránsito

Para la combinación de subrasante y subbase granular, en encuentra un ―k‖ combinado de 120 pci, al cual corresponde un Soporte Bajo

Se escoge la tabla de diseño adecuada a los datos del problema (categoría de tránsito, tipo de transferencia de carga y existencia de confinamiento)

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EJEMPLO DE TABLA DE DISEÑO DEL PAVIMENTO

Bajo Medio Alto Muy alto

6.5 83 320

7.0 52 220 550 1900

7.5 320 1200 2900 9800

8.0 1600 5700 13300

8.5 6900 23700

PAVIMENTO CON BERMAS DE CONCRETO

650 Módulo rotura concreto (lb/pg2)

Espesor losas (pg)

SOPORTE SUBRASANTE - SUBBASE

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Solución del problema (cont.)

Para un módulo de rotura de 650 psi, la tabla muestra que

—7.5 pulgadas de losas soportan un TPDvc hasta de 320 vehículos comerciales

—8.0 pulgadas de losas soportan un TPDvc hasta de 1600 vehículos comerciales

Como el TPDvc del problema es 630, se concluye que el espesor de losas requerido es 8.0 pulgadas

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CAPACIDAD DE SOPORTE

SENSIBILIDAD DE LOS FACTORES DE DISEÑO

Si se duplica el módulo de reacción de diseño, se logra una disminución media de 2 cm en el espesor de losas si el soporte es bajo o medio

 La disminución es del orden de 1 cm para soportes de mejor calidad

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SENSIBILIDAD DE LOS FACTORES DE DISEÑO

RESISTENCIA DE DISEÑO DEL CONCRETO

Tránsito Junta Resistencia del concreto

Sin pasadores

No tiene influencia. El control lo ejerce la erosión

Con pasadores

En promedio, un aumento de 3 kg/cm2 reduce 1 cm el espesor

Liviano a medio

Con y sin pasadores En promedio, un aumento de 3 kg/cm2 disminuye 1 cm el espesor

Medio a

muy pesado

BERMA PAVIMENTADA EN CONCRETO

Su consideración permite disminuir, en promedio, 3 cm el espesor del pavimento

(66)

COLOCACIÓN DE PASADORES EN JUNTAS TRANSVERSALES

Tránsito Resistencia del concreto Efecto de los pasadores Alta Permite reducir el espesor en 5 cm Media y baja Permite reducir el espesor en 2 cm Alta Permite reducir el espesor de 2 a 3 cm Media y baja No influye

Liviano a medio Alta a baja No influye Liviano Alta a baja No influye Pesado y muy

pesado Medio

(67)

ELEMENTOS AUXILIARES

DISEÑO DE JUNTAS EN

PAVIMENTOS RÍGIDOS

(68)

FUNCIONES DE LAS JUNTAS DE LOS PAVIMENTOS RÍGIDOS

 Controlar el agrietamiento transversal y longitudinal generado por la contracción restringida del concreto y por los efectos combinados del alabeo y las cargas del tránsito

 Permitir los movimientos de las losas

 Asegurar una adecuada transferencia de carga

 Proveer espacio para el material de sello

(69)

FISURACIÓN INICIAL DEL CONCRETO

 La contracción generada durante las primeras horas de vida del pavimento, a causa de la reducción de volumen y temperatura del concreto, genera fricción entre el pavimento y el soporte

 Esta fricción produce esfuerzos de tracción que causan un patrón de fisuramiento transversal a intervalos del orden de 10 a 45 metros

(70)

Debido a la acción de gradientes térmicos, los segmentos en los cuales se ha dividido el pavimento tienden a alabearse, generándose esfuerzos de flexión proporcionales a la longitud de los segmentos, los cuales exceden el módulo de rotura, dando lugar a la aparición de fisuras intermedias

 El proceso se sigue repitiendo hasta que las dimensiones de los segmentos sean tales, que la magnitud del esfuerzo generado por el gradiente térmico resulte inferior al módulo de rotura del concreto

DISEÑO DE JUNTAS

(71)

FISURACIÓN INICIAL DE UN PAVIMENTO RÍGIDO TÍPICO SIN JUNTAS

(72)

PROPÓSITO DEL PROYECTO DE JUNTAS

 Determinar las dimensiones de las losas que conduzcan a la forma más económica de controlar la fisuración transversal y longitudinal debida a cambios volumétricos del concreto y al alabeo restringido

(73)

TIPOS DE JUNTAS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS

(74)

(75)

(76)

(77)

DIMENSIONES MÍNIMAS DE LOS PASADORES DE CARGA PCA (1975) mm pg 160-180 22,2 7/8 350 300 190-200 25,4 1 350 300 210-230 28,6 1 1/8 400 300 240-250 31,8 1 1/4 450 300 260-280 34,9 1 3/8 450 300 290-300 38,1 1 1/2 500 300

diámetro del pasador * Espesor del pavimento (mm) longitud (mm) separación entre centros (mm) DISEÑO DE JUNTAS

(78)

Existe una regla según la cual el diámetro de la varilla no puede ser menor de 1/8 del espesor de la losa (PCA, 1975)

La PCA (1991) recomienda diámetros de 1 y ¼‖ para espesores de losa menores de 250 mm y 1 y ½‖‖ para espesores iguales o mayores a 250 mm

Existen recomendaciones según las cuales las losas de menos de 170 mm no requieren pasadores, debido a que corresponden a vías de tránsito liviano

(79)

RECOMENDACIONES SOBRE VARILLAS DE ANCLAJE GRADO 60 EN LAS JUNTAS LONGITUDINALES DE PAVIMENTOS RÍGIDOS

Carril 3.05 m Carril 3.35 m Carril 3.65 m Carril 3.05 m Carril 3.35 m Carril 3.65 m

150 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 175 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 200 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 225 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 250 1,20 1,15 1,10 1,20 1,20 1,20 850 1000 Espesor losa (mm) varillas de 1/2" varillas de 5/8" Separación entre centros (m)

Long (mm)

Long (mm) Separación entre centros (m)

No se deben colocar varillas de anclaje a menos de 38 cm de la junta transversal

(80)

SEPARACIÓN ENTRE JUNTAS

 Los registros locales de comportamiento constituyen la mejor guía para establecer la separación entre juntas que controlen efectivamente los agrietamientos transversal y longitudinal

 La juntas longitudinales de pavimentos rígidos de calles y carreteras suelen cumplir la doble función de dividir el pavimento en carriles y de controlar las fisuras longitudinales

 La separación entre juntas transversales de contracción, que determina la longitud de las losas, debe garantizar que la abertura de la junta no sea excesiva si la transferencia de carga es por trabazón de agregados

(81)

RECOMENDACIONES SOBRE LONGITUDES MÁXIMAS DE LOSAS EN PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE

(82)

EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL CRITERIO FHWA

LONGITUDES DE LOSA RESULTANTES PARA UN RANGO NORMAL DE ESPESORES DE LOSAS Y MÓDULOS DE RELACIÓN DE SOPORTE DE

MANERA QUE L/l = 5

l (pg) L (pie) l (pg) L (pie) l (pg) L (pie)

9 42.0 17.5 35.3 14.7 25.0 10.4

13 55.3 23.0 46.5 19.4 32.9 13.7

k=100 pci k=200 pci k=800pci

Espesor de losa (pg)

 De acuerdo con la tabla, si los soportes son rígidos (subbases estabilizadas) la longitud de las losas debe ser menor

— Del orden de 12 pies para losas de 9 pulgadas de espesor, y del orden de 15 pies para losas de 13 pulgadas

(83)

COMPARACIÓN DE LONGITUDES MÁXIMAS DE LOSAS SEGÚN DIVERSOS CRITERIOS

(espesor = 9 pulgadas) Criterio FAA PCA Fordyce L= 2x9 = 18 pies (5.5 m) L=25*9/12 = 18.75 pies (5.7 m) depende del tipo de agregado grueso FHWA Longitud máxima k= 100 pci; L = 17.5 pies (5.3 m) k= 200 pci; L = 14.7 pies (4.5 m) k= 800 pci; L = 10.4 pies (3.2 m) DISEÑO DE JUNTAS

(84)

 Las juntas tienen por finalidad ayudar a la construcción y minimizar los agrietamientos aleatorios del pavimento

Se debe tener en cuenta que el concreto tiende siempre a tomar la forma cuadrada

 Las losas largas y estrechas tienden a agrietarse más que las losas aproximadamente cuadradas

 La relación largo/ancho no debería exceder de 1.4

RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA DISPOSICIÓN DE JUNTAS EN PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE

(85)

Las losas delgadas se tienden a agrietar a menores intervalos que las losas espesas

 Los lados de las losas en las zonas de giro no deben tener menos de 45 cm

Se deben hacer ajustes menores en la distribución de juntas donde haya sumideros o pozos de inspección y las losas donde ellos queden incluidos suelen armarse en la parte superior

RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA DISPOSICIÓN DE JUNTAS EN PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE

(86)

EJEMPLO DE DISTRIBUCIÓN DE JUNTAS EN PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE

(87)

(88)

(89)

EJEMPLOS DE DISPOSICIÓN DE JUNTAS AISLADORAS EN PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE

(90)

REFUERZO DE LOSAS DE FORMA IRREGULAR O CON ESTRUCTURAS FIJAS EN SU INTERIOR

(91)

ESQUEMA DE TRANSICIÓN ENTRE PAVIMENTOS ASFÁLTICO Y RÍGIDO

(92)

DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS

Las juntas deben ser selladas para minimizar la infiltración de agua superficial y de materiales incompresibles dentro de ellas

Las características requeridas de un sellador son diferentes para los distintos tipos de juntas. Un sellador para una junta longitudinal no requiere ser tan elástico como para una junta transversal

(93)

Las dimensiones de las cajas de las juntas son un factor importante en la selección y comportamiento de los selladores

Las dimensiones de las cajas se establecen para ayudar a los materiales selladores a soportar los movimientos de apertura y cierre de las juntas

Las estimaciones de los movimientos de las juntas transversales se hacen con la ecuación:

(94)

El ancho de la caja para alojar el sello debe ser como mínimo de 6 mm y como máximo de 10 mm

El ancho de corte con la sierra y la profundidad de inserción del cordón de respaldo determinan la forma del sellador

El factor de forma (relación profundidad/ancho) es crítico para el éxito a largo plazo de los selladores líquidos

(95)

Cajas para selladores líquidos

Los movimientos de expansión y contracción de las losas inducen deformaciones en el material de sello y tensiones en sus áreas de adherencia con la caja

Un factor de forma menor de 1.0 produce tensiones más bajas en el sellador, lo que minimiza la pérdida de adherencia con las paredes de la junta

(96)

(97)

Los selladores líquidos de vertido en caliente soportan hasta un 20% de alargamiento con respecto a su ancho original, mientras las siliconas y otros materiales de bajo módulo soportan hasta el 100%

En consecuencia, el sellador se debe escoger de acuerdo con su alargamiento máximo esperado a causa de la retracción del concreto

(98)

DL = CL ( a Dt + d)

DL = 0.8*4*1000 ( 10-5*25 + 0.00045) = 2.24 mm

Cajas para selladores líquidos Ejemplo

Si se tienen los siguientes datos:

C = 0.8; L = 4 metros; α = 10-5; ΔT = 25ºC y δ = 0.00045:

Y se emplea la ecuación:

(99)

De acuerdo con recomendaciones de ACPA, el ancho mínimo de la caja para alojar el sello debe ser de 6 mm

Como según el ejemplo, la abertura de la junta será de 2.24 mm, después de la contracción del concreto el reservorio tendrá un ancho de 6.0+2.24 = 8.24 mm, lo que hace que el material de sello deba tener un porcentaje de alargamiento mayor de 2.24/6.0 = 0.37 (37 %), con el fin de soportar, sin desprenderse, el movimiento de la junta en sentido horizontal

(100)

(101)

Cajas para selladores preformados

Los selladores preformados se colocan para permanecer en compresión dentro de la junta durante su vida útil, aun cuando la junta esté abierta a su máxima anchura

Ello es necesario para mantener la presión de contacto requerida entre la junta y el sellador, de manera que éste se conserve en su lugar

Si la junta se abre hasta un ancho mayor que el del sellador, éste fallará, por cuanto caerá dentro de la junta o será expulsado por el tránsito

(102)

Es muy importante elegir el tamaño correcto de sellador y que éste mantenga sus propiedades elásticas

El sellador debe permanecer en compresión, transmitiendo esfuerzos a las caras de la junta a través de sus nervaduras

Si la junta se hace muy estrecha y los esfuerzos de compresión sobre el sellador son muy altos, éste pierde su elasticidad y el sello falla cayendo al fondo de la junta o siendo expulsado de ésta

(103)

(104)

Procedimiento para elegir el tamaño del sellador preformado

El primer paso consiste en calcular la abertura que puede tener la junta: DL = CL ( a Dt + d)

Determinadas las aberturas máxima y mínima de la junta, se establece el rango de trabajo del sellador, de manera que éste se encuentre comprimido por lo menos 20%, pero no más de 60 %

Estimado el rango de trabajo, se determina el ancho que requiere el sellador

(105)

Ejemplo de cálculo del tamaño del sellador preformado DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS

Datos:

–Temperatura en el instante de colocar el sellador = 28 ºC –Temperatura máxima del pavimento = 45 ºC

–Temperatura mínima del pavimento = 0 ºC –Longitud de losa = 4.50 metros

–Coeficiente de dilatación térmica del concreto (α) = 10-5_{/º C} –Coeficiente de contracción por secado (δ) = 0.00045

(106)

Determinación de la mayor abertura de la junta (frío):

DL = 0.8*4.5*1000 [ 10-5* (28 - 0) + 0.00045] = 2.63 mm

DL = 0.8*4.5*1000 [ 10-5* (45 - 28) + 0.00045] = 2.23 mm

Determinación de la menor abertura de la junta (calor):

Si el ancho de corte de la junta es 10 mm, las aberturas máxima y mínima de la caja serán:

D máx. = 10 + 2.63 = 12.63 mm D mín. = 10 - 2.23 = 7.77 mm

(107)

Determinación del rango de trabajo del sellador preformado

–Si el sello debe permanecer comprimido no menos de 20% cuando la junta está abierta, ni más de 60% cuando está cerrada, su rango de trabajo se determina así:

Ancho máximo del sello = Ancho mínimo de junta*5.0 Ancho mínimo del sello = Ancho máximo de junta*1.2

(108)

Determinación del rango de trabajo del sellador preformado

Ancho máximo del sello = 7.77*5.0 = 38.9 mm Ancho mínimo del sello = 12.63*1.2 = 15.2 mm

(109)

Determinación del ancho del sellador preformado

–Un criterio es tomar el promedio de estos dos extremos (27 mm), aunque una regla general es tomar el doble del ancho de corte en el momento de sellado, si cumple los criterios del cálculo. De acuerdo con esta regla, el ancho sería 10*2 = 20 mm (3/4‖) y su rango de trabajo:

Máximo = 20 – 0.2*20 = 16 mm (20% de compresión) Mínimo = 20 – 0.6*20 = 8 mm (60% de compresión)