DISEÑO DE PAVIMENTOS MACCAFERRI

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El principio general de la metodología de diseño es la determinación del espesor de la losa de concreto o pavimento. La consideración de las características reales del concreto fibroreforzado permite obtener resultados validos en la práctica.

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DISEÑO DE PAVIMENTOS MACCAFERRI

  1. 1. Pág 1 de 20 Fecha: 20/04/2013 Proyecto: Rev: 01 Proyecto: “MEJORAMIENTO VIAL DE LA AV 15 DE AGOSTO DE LA CIUDAD DE PUERTO MALDONADO” Para: MUNICIPALIDAD PROVINCIAL DE TAMBOPATA. De: Referencia: Diseño de pavimento fibroreforzado. 1.0 INTRODUCCION El presente proyecto trata de una losa monolítica apoyada sobre el suelo, la cual será ejecutada en concreto fibroreforzado. Pavimentos rígidos realizados en concreto fibroreforzado traen consigo ventajas técnicas y económicas en comparación con las pavimentaciones rígidas ejecutadas en concreto reforzados convencionalmente. La incorporación de fibras de acero WIRAND® logran un incremento sustancial en las propiedades de esfuerzo y tenacidad, especialmente en condiciones de subbase desfavorables. No es necesaria la utilización de una capa regularizadora o recubrimiento para la losa, por lo que el espesor de la losa puede ser generalmente optimizado o reducido. El ahorro en tiempo y costo que viene dado por la utilización de fibras de acero WIRAND® debido a la eliminación de costos de colocación y control del acero convencional, además que el camión de concreto puede accesar directamente hasta el sitio de colocación evitando así gastos en la utilización de bombas de concreto. Las fibras de acero WIRAND® pueden ser añadidas a la mezcla de concreto con mucha facilidad, ya sea directamente al camión con la mezcla lista o en la planta durante el proceso de introducción de los agregados. En el caso de introducción directa en el camión, el tiempo de mezclado será aproximadamente de 1 minuto por metro cúbico, desde el inicio de colocación de las fibras.
  2. 2. Pág 2 de 20 2.0 Diseño Estructural El principio general de la metodología de diseño es la determinación del espesor de la losa de concreto o pavimento. La consideración de las características reales del concreto fibroreforzado permite obtener resultados validos en la práctica. El diseño estructural de losas de concreto fibroreforzado se basa en reglas técnicas y recomendaciones incluidas en el código ingles TR 34/3. Este procedimiento facilita el uso de las propiedades mecánicas naturales del concreto mejorando las propiedades de esfuerzo y comportamiento post fisuración debido a la incorporación de fibras de acero WIRAND® FF1. Las reflexiones sobre factores de seguridad están acorde al código EC 2 / TR34. [TR34] Los cálculos y las consideraciones de diseño de este método están basadas en los códigos EN206, Eurocódigo 2, y en el reporte TR34 tercera edición, de "The Concrete Society", UK, de pisos de concreto apoyados sobre suelos. Las teorías de diseño están basadas en los métodos de Losberg, Meyerhof y Hetenyi. [NLFM] Los cálculos y las consideraciones de diseño de este método están basados en los códigos EN206, Eurocódigo 2, y en la metodología de diseño basada en la mecánica de la fractura no lineal para losas apoyadas sobre el suelo, desarrollado por Officine Maccaferri S.p.A. [WEST] El siguiente cálculo de diseño está basado en el código EN 206, Eurocódigo 2 en el trabajo de Westergaard para un sistema elástico. Las fibras de acero seleccionadas son las fibras WIRAND® FF1 de Officine Maccaferri S.p.A. Bologna/Italy. El uso de fibras no especificadas en este diseño puede resultar en daños en la losa de concreto. El presente diseño es únicamente valido para las fibras de acero y/o fibras de polipropileno especificadas en la presente evaluación. Las siguientes evaluaciones representan una propuesta para el Ingeniero diseñador y el usuario para el proyecto a desarrollar con el uso de concreto reforzado con fibras de acero WIRAND®. Este reporte no representa ninguna sustitución de la documentación legal del proyecto y deberá ser verificado y aprobado por el Ingeniero proyectista. El mismo deberá ser verificado y aprobado por el usuario si esto representa una necesidad legal. Toda la información base con la cual el autor del diseño ha desarrollado la propuesta deberá ser verificada antes de la ejecución del piso industrial o pavimento en referencia dentro de esta propuesta.
  3. 3. Pág 3 de 20 3.0 DISEÑO 3.1 Procedimiento de Cálculo El procedimiento de cálculo adaptado por el programa PAVE 2008 está basado en los reglamentos mencionados en los párrafos anteriores, el cual puede ser seleccionado por el diseñador según su preferencia. A partir de un pre-diseño (Peralte de losa y dosificación de fibras metálicas y/o polipropileno) se determina los esfuerzos admisibles de la estructura. Luego, se determinan los esfuerzos actuantes debido a las cargas sobre el pavimento, los cambios de temperatura y los esfuerzos de retracción que están presentes en el concreto; en el caso de las cargas se verificará también si la carga es en el borde del paño, en la esquina o en el centro, considerando también si las juntas serán con dowells o no. Estos esfuerzos actuantes son amplificados utilizando los factores de seguridad que estipule el código seleccionado para el diseño. Finalmente, se compararán los esfuerzos actuantes con los admisibles por la estructura y se calcularán factores de seguridad que serán los que determinen la certeza del diseño recomendado. 3.2 Datos de Diseño:  CBR de diseño de la subrasante = 10 % ( dato brindado por el cliente)  Resistencia de Concreto f’c = 245 kg/cm2 con un módulo de rotura de 3.60 MPa  Espesor de losa de 15 cm con 20 kg/m3 de fibra de acero Wirand FF1 y 600gr/m3 de fibra de polipropileno Fibromac12.  Camión para el diseño:SLW30 (30 ton) Figura 01.- Camión de Diseño (aproximadamente 30tn).
  4. 4. Pág 4 de 20 3.3 Cálculo del espesor de la losa de concreto Se introducen los principales datos del sistema (espesor y dosificación de fibras a verificar), datos de temperatura, calidad de concreto, valores de resistencia, etc. como se muestra a continuación: Figura 03.- Valores de entrada del sistema.
  5. 5. Luego se introducen los parámetros de apoyo, como se comentó inicialmente esta losa estará apoyada sobre un suelo con un CRB =10% el cual será considerado para el diseño, con lo que se podrá determinar el radio de rigidez, longitud característica y tener la consideración de apoyo para el diseño: Pág 5 de 20 Figura 04.- Apoyo y cálculo de rigidez del sistema. Seguidamente, se introducen las cargas que estarán presentes sobre la losa durante su vida útil, entre las cuales el programa determinará cuál es más perjudicial para la losa. En este momento el programa puede determinar las cargas actuantes en el sistema y la carga admisible del sistema, con lo que nos podemos dar una primera impresión de la seguridad de la losa, en este caso contamos para el diseño con la carga más crítica que viene a ser el camión de diseño:
  6. 6. Pág 6 de 20 Figura 05.- Cálculo de cargas actuantes y admisibles del camión. Finalmente el programa suma los efectos de las cargas a los ocasionados por el alabeo provocado por el cambio de temperatura y los compara con los admisibles:
  7. 7. Figura 06.- Determinación del Factor de Seguridad Global debido a Cargas de Flexión Figura 07.- Determinación de Factor de Seguridad Global debido a cargas de Punzonamiento. Pág 7 de 20
  8. 8. Pág 8 de 20 Factores de Seguridad:  Factor de Seguridad Global Cargas de Flexión = 1.33 > 1.10 → OK.  Factor de Seguridad Mínimo al Punzonamiento = 1.48 > 1.10 → OK. 4.0 DETALLE DE LAS JUNTAS 4.1 Junta de Contracción. Según la recomendación del ACI: 24 D < Espaciamiento < 36 D , D: Espesor de la losa 24(0.20) < Espaciamiento < 36 (0.20) 4.80 < Espaciamiento <7.20 Sin embargo para esta la zona de trabajo, consideraremos una junta de contracción cada 3.0 m JUNTA DE CONTRACCIÓN Sellador plástico-elástico a base de bitumen-caucho Figura 8. Detalle de junta de contracción 15cm 4.2 Junta de Dilatación L  LxTxF 5 cm 6mm Concreto de f 'c = 245Kg/cm² reforzado con 20 kg de Fibras de Acero Wirand FF1 CBR de diseño = 10%
  9. 9. Pág 9 de 20 ΔL = 15 a 25mm F = Coeficiente de expansión térmica del concreto (5.5x10-6/ºF) ΔT = Diferencia de Temperatura (ºF) Datos: ΔL = 15 mm Temperatura mínima = 2 ºC = 35 ºF Temperatura Máxima = 25 ºC = 77 ºF → ΔT = 42 ºF L = 0.015 / (5.5 x 10 -6 x 42) = 64.9 Se considerará una junta de dilatación cada 60.00m. JUNTA DE DILATACIÓN Sellador plástico-elástico a base de bitumen-caucho 46cm h/2 1.5 cm Figura 9. Detalle de junta de Dilatación 15cm 5 cm 1.5cm Concreto de f'c = 245Kg/cm² reforzado con 20 kg de Fibras de Acero Wirand FF1 CBR de diseño = 30% Dowel de 1" @ 30 cm Tubo de PVC
  10. 10. Barra Corrugada de 1/2" @ 75 cm Pág 10 de 20 4.3 Junta de Construcción longitudinal JUNTA LONGITUDINAL DE CONSTRUCCIÓN 5 cm Sellador plástico-elástico a base de bitumen-caucho 6mm Concreto de f'c = 245Kg/cm² reforzado con 20 kg de Fibras de Acero Wirand FF1 75 cm h/2 CBR de diseño = 30% Figura 9. Detalle de junta deconstrucción longitudinal 15 cm 5.0 Aplicación de micro fibras para el control de retracción de primera etapa del concreto Adicionalmente, a la mezcla de concreto para las losas del pavimento, sugerimos para complementar este diseño el controlar la retracción en primera etapa de curado del concreto con la adición de fibras de polipropileno del tipo micro filamentos del tipo FIBROMAC 12, a una razón de 600gr/m3, que blindaría el concreto contra microfisuraciones logrando un acabado impecable para la estructura prevista y alargando la vida útil de la estructura mejorando su resistencia a la abrasión. 6.0 Sugerencias sobre la mezcla de concreto Quisiéramos no dejar de resaltar algunas consideraciones importantes que vienen al caso de la aplicación en consideración de la mezcla de concreto:  La fibra que se sugiere es una fibra larga de L=50mm y diámetro D=1.00mm, para acompañar un agregado grueso importante en el orden de ½” de diámetro máximo. Respetando la regla de no involucrar áridos mayores al 50% de la longitud de la fibra, permitiendo esto la distribución uniforme de los elementos y la superposición de los mismos, con el objeto de garantizar la transmisión correcta de esfuerzos.  Es importante ubicar una mezcla rica en cantidad de cemento y agregado grueso para este revestimiento, que irán a incrementar el factor durabilidad por agresión abrasiva.
  11. 11.  La trabajabilidad de la mezcla se sugiere cuidar de la reducción de 1” en el slump Pág 11 de 20 tradicional del concreto simple. 7.0 Ventajas Técnico-Constructivas de la alternativa en general En adición a la equivalencia de prestación de servicio a nivel de carga, quisiéramos resaltar las bondades que puede traer la aplicación del concreto fibroreforzado en este tipo de aplicación:  Contribución de todo el espesor de la sección de concreto fibroreforzado, gracias a la distribución tridimensional de las fibras, se obtiene un piso homogéneamente resistente a las solicitaciones bajo la cuales estará sometido durante su vida útil, obteniendo un mejor comportamiento a fatiga.  Menor permeabilidad, que al evitar fisuraciones, obtenemos un cuerpo en concreto más sano y menos susceptible a penetración de agentes agresivos.  Eliminación de cortes y desperdicio de material, que son de común práctica en el caso de refuerzo la malla tradicional de refuerzo malla.  Eliminar la dificultad de ubicar el refuerzo en esta geometría e incrementar la trabajabilidad del vaciado de concreto.  Optimización de el vaciado del revestimiento, al no haber interferencia de disposición de refuerzo antes del vaciado, se incrementa la maniobrabilidad y como consecuencia el rendimiento.  Todo lo expuesto se traduce en optimización de procesos y economía para la obra, en puntos como materiales, mano de obra, tiempo, que pueden ser disfrutados con la aplicación de un pavimento fibroreforzado.
  12. 12. 9.0 PROCESO CONSTRUCTIVO A continuación presentamos una descripción fotográfica del proceso de inserción y aplicación de las fibras: Pág 12 de 20 Foto No.1. Dosificación de fibras utilizando baldes como medida Standard. Foto No.2. Vaciar los baldes directamente dentro del mixer.
  13. 13. Foto No.3. Las fibras corren libremente hacia el fondo, el mixer deberá estar rotando a velocidad media durante este proceso. Foto No.4. Luego de colocadas las fibras, dejar por máximo 2 minutos el mixer rotando a alta velocidad y proceder a la medición del slump. Pág 13 de 20
  14. 14. Pág 14 de 20 Foto No.5. Aspecto de la mezcla totalmente uniforme sin bolas o grumos de fibras. Foto No.6. Aspecto de la mezcla totalmente uniforme sin bolas o grumos de fibras. Importante regular la granulometría máxima del árido en función del tamaño de la fibra usada.
  15. 15. Foto No.7. Vaciado de la mezcla del mixer directamente hasta el lugar donde se lo requiera. Foto No.8. Vaciado de la mezcla sobre sub-base preparada, nótese que no hay interferencia alguna con el personal que se encuentra esparciendo el concreto, a diferencia de utilizar una malla de acero. Pág 15 de 20
  16. 16. Pág 16 de 20 Foto No.9. Labores de vaciado, vibrado y curado, en varios tramos del pavimento. Foto No.10. Labores de nivelación de la losa.
  17. 17. Pág 17 de 20 Foto No.11. Detalle de las juntas, una sierra. Foto No.12. Acabado final impecable sin afloramiento de fibras en la superficie.
  18. 18. Pág 18 de 20 Foto No.13. Fraguado del concreto utilizando geotextiles. Foto No.14. Detalle de la Losa ya fraguado
  19. 19. Pág 19 de 20 Foto No.15. Losa terminada. 9.0 CONCLUSIONES Luego de la justificación técnica pasamos a continuación a realizar un resumen de las aplicaciones: Fibra Metalica RESUMEN Fibra Sintética Losa 15 cm 20 kg/m³ de Wirand® FF1 0,6 Kg/m³ de Fibromac® 12 No mayor a 3.0 m f'c=245 Kg/cm³ 10.00% Aplicación Espesor Solución Fibroreforzada Separación de juntas propuesta Calidad de hormigón CBR de diseño Dosificación
  20. 20. Pág 20 de 20 10.0 REFERENCIAS TÉCNICAS O UNI 11037 - "FIBRAS DE ACERO A SER USADAS EN EL HORMIGÓN"; O UNI 11039 - "HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS DE ACERO" O UNI 11146 - "PAVIMENTOS INDUSTRIALES"; O UNI EN 206 - "HORMIGÓN. ESPECIFICACIÓN, PRESTACIÓN, PRODUCCIÓN Y CONFORMIDAD"; O A820/A820M-04 - "STANDARD SPECIFICATION FOR STEEL FIBERS FOR FIBER-REINFORCED CONCRETE"; O ACI 544-3R - "GUIDE FOR SPECIFYING, PROPROTIONING, MIXING, PLACING AND FINISHING STEEL FIBER REINFORCED CONCRETE"; O ACI 360R-06 DESIGN OF SLABS ON GRADE.

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