Diseño y construcción de pavimentos de hormigón

20 y 21 de Marzo de 2012
JORNADAS DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS DE HORMIGÓN
DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS
Ing. Diego H. Calo
DNV Distrito VI - San Salvador de Jujuy

INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
ÍNDICE DE LA PRESENTACIÓN
2

Componentes Principales del Sistema
Junta Longitudinal
Junta Transversal
Subrasante
Subbase o base
Espesor
Pasadores
Calzada de Hormigón
Barras de Unión
3

FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Fisuración Longitudinal / Transversal
Descripción: Fisuras con orientación
longitudinal o transversal al eje del
pavimento.
Causas posibles:
• Fisuración por fatiga: espesor de calzada
insuficiente y/o separación de juntas
excesiva.
• Reflexión de juntas o fisuras de capas
inferiores o losas contiguas.
• Pérdida de soporte por erosión (T).
• Asentamientos diferenciales (L).
4

5
Tensiones en Pavimentos Rígidos
Datos:
• Espesor: 25 cm.
• Largo: 4,50 m.
• Ancho: 3,65 m.
• ∆T: 0ºC.
• k: 150 MPa/m
• Eje simple 100 KN

6
Datos:
• Espesor: 25 cm.
• Largo: 4,50 m.
• Ancho: 3,65 m.
• ∆T: 0ºC.
• Eje simple 100 kN
K: 50 MPa/m
K: 100 MPa/m
K: 150 MPa/m

7
Influencia de la Rigidez de apoyo en
las tensiones generadas
Esubbase = ∞
∞
∞
∞
Esubbase = 0
Esubbase = ∞
∞
∞
∞
Esubbase = 0
Caso 1: Fundación Perfectamente Rígida
Caso 2: Fundación Muy Flexible
Debido a la rigidez de la fundación, la carga no
genera deflexiones ni tensiones en la losa.
Durante una carga medioambiental, la fundación
no acompaña la deformación de la losa y se
genera pérdida de apoyo.
Debido a la falta de soporte la losa deflecta
significativamente y se generan elevadas
tensiones de flexión.
Durante una carga medioambiental, la fundación
acompaña la deformación de la losa
manteniendo su soporte.

8
Datos:
• Espesor: 25 cm.
• Largo: 4,50 m.
• Ancho: 3,65 m.
• ∆T: 10ºC.
• E: 35 GPa.
• CET: 1,10 10-5 1/ºC
K: 50 MPa/m
K: 100 MPa/m
K: 150 MPa/m

9
Descripción: Movimiento del agua (con
material en suspensión) ubicada debajo de la
losa o su eyección hacia la superficie como
resultado de la presión generada por la acción
de las cargas.
Causas (deben coexistir):
• Material fino capaz de entrar en suspensión
(arenas finas y limos).
• Disponibilidad de agua en las capas inferiores
del pavimento.
• Deflexiones excesivas en bordes y esquinas.
Erosión por Bombeo y Escalonamiento

10
Carga
Agua
Base / Subbase
Losa anterior Losa posterior

11
Carga
Base / Subbase

12
Base / Subbase
Carga

13
Carga
Base / Subbase

14
Carga
Base / Subrasante
Escalonamiento
Acumulación de finos
Erosión de material

15
Tránsito
Escalonamiento Inicial
Banq. Externa
Juntas Transversales
Junta
Longitud.
Banq.
Externa
Incremento del
escalonamiento
Banq.
Externa
3ER ETAPA
2DA ETAPA
1ER ETAPA
Eyección de Finos
Eyección de Finos
Fisuración
Transversal

16
¿Cuándo es necesario una
subbase?
Existe riesgo de erosión por bombeo cuando
se presentan en forma simultánea las
siguientes condiciones:
– Repeticiones reiteradas de cargas
pesadas (camiones) capaces de
generar deflexiones importantes en
juntas y bordes de la calzada de
hormigón.
– Disponibilidad de agua en la interfase
losa – subbase – banquina.
– Una subrasante compuesta por
suelos finos o capaces de entrar en
suspensión.
Cuando en un pavimento determinado se prevea la eventual coexistencia de estos factores
el EMPLEO DE UNA SUBBASE NO EROSIONABLE ES DE CARÁCTER OBLIGATORIO.
Material Fino
ó Erosionable
Tránsito
Pesado
Agua Disponible
E

17
Subbases granulares
Requisitos generales
• Espesor mínimo: 10 cm.
• Tamaño máximo < 1/3 del espesor.
• P200 < 15%.
• Desgaste Los Angeles < 50%.
El criterio principal para emplear una subbase granular en un pavimento de
hormigón es el de limitar el contenido de finos que pasan el Tamiz #200.
Recomendaciones:
• No emplear espesores mayores de 15 cm.
• Deberá especificarse una densidad mínima del
98% del T-180.
Si el material cuenta con excesivos
contenidos de finos, la capa puede
almacenar agua encontrándose disponible
para la erosión por bombeo

18
Subbases tratadas con cemento
Características (ACPA):
• Tipo de suelo recomendado para tránsito pesado:
A1, A2-4, A2-5 y A3 (ACPA).
• Tamaño máximo: 75 mm.
• Durabilidad por congelamiento – deshielo y
humedecimiento – secado.
• Contenidos de Cemento: de 2% a 5%.
• Resistencia a compresión: de 2,1 a 5,5 MPa.
• Resistencia a Flexión: de 0,7 MPa a 1,4 MPa.
• Módulo de elasticidad: 600.000 a 1.000.000 psi
(de 4100 a 6900 MPa).
• Romper la adherencia con emulsión asfáltica, film
de polietileno o dos capas de membrana en base
a parafina.

19
Subbases de Hormigón Pobre
Requisitos:
• Resistencia a compresión de 5 MPa a 8 MPa.
• Contenido de cemento de 120 a 200 kg/m3.
• Contenido de aire de 6 a 8%.
• Tamaño máximo hasta de 25 a 50 mm.
• Tolerancias: ± 6 mm en la regla de 3 m.
• Pueden ser densas o drenantes (Hº poroso).
Recomendaciones constructivas:
• En general no suele especificarse la ejecución de
juntas en la subbase de hormigón pobre.
• Una terminación lisa es conveniente (menor
fricción).
• Se recomienda romper la adherencia con la
calzada mediante un film de polietileno.
Subbase de Hormigón Poroso

20
Deformaciones en Pavimentos Rígidos
Datos:
• Espesor: 25 cm.
• Largo: 4,50 m.
• Ancho: 3,65 m.
• ∆T: 0ºC.
• k: 150 MPa/m
• Eje simple 100 KN
Carga Interna - Dzmax: 0,144 mm (100%) Carga en Borde - Dzmax: 0,26 mm (180%)
Carga en Junta - Dzmax: 0,389 mm (270%) Carga en Esquina - Dzmax: 0,646 mm (450%)

21
Con cordón integral,
si el cordón se ejecuta en una
segunda etapa, no hay
contribución estructural
TRANSFERENCIA DE CARGA
D2 = 0
D1 = x
Mala Transferencia de Carga
• Trabazón entre agregados
• Pasadores
• Banquina de hormigón
– Banquina Vinculada
– Cordón Cuneta
– Sobreancho de Carril
Es la capacidad de una losa de transferir su carga a una losa vecina
D1 = X/2 D2 = X/2
Buena Transferencia de Carga
Tienen un
efecto similar

22
Transferencia de Carga en Juntas Transversales
Trabazón entre agregados por
debajo del aserrado primario

23
Transferencia de Carga en Bordes de
Calzada

24
Sobreancho de Calzada
Datos:
• Espesor: 25 cm.
• Largo: 4,50 m.
• Ancho: 4,25 m.
• ∆T: 0ºC.
• CET: 1,10 10-5 1/ºC
• k: 150 MPa/m.
• Eje Simple: 100 KN
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
0 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75
Distancia al Borde, m
Tensiones
Máximas
(Fondo
de
Losa),
MPa
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
Deformación
Máxima,
mm
Tensiones - Carga en Borde
Deformaciones - Carga en Esquina

25
Influencia de la transferencia de Carga
Carga Interna - Dzmax: 0,134 mm (100%) En Esquina sin sob y sin pas - Dzmax: 0,506 mm (377%)
Datos:
• Espesor: 25 cm.
• Largo: 4,50 m.
• Ancho: 4,25 m.
• ∆T: 0ºC.
• E: 35 Gpa.
• k: 150 MPa/m.
• Eje Simple: 100 KN En Esquina sin sob y con pas - Dzmax: 0,350 mm (260%)

26
Influencia de la transferencia de Carga
Carga Interna - Dzmax: 0,134 mm (100%) En Esquina con sob y sin pas - Dzmax: 0,295 mm (220%)
Datos:
• Espesor: 25 cm.
• Largo: 4,50 m.
• Ancho: 4,25 m.
• ∆T: 0ºC.
• E: 35 Gpa.
• k: 150 MPa/m.
• Eje Simple: 100 KN En Esquina con sob y con pas - Dzmax: 0,216 mm (160%)

27
Método de la Portland Cement
Association
• Procedimiento Empírico- Mecanicista basado en
respuestas de pavimentos matemáticamente
calculadas.
• Calibrado con Ensayos de campo y rutas en servicio.
• Lanzado originalmente en 1966 y revisado en 1984.
• Limita las tensiones desarrolladas en el Pavimento
(Criterio de verificación por fatiga). Limitante para
bajo tránsito pesado.
• Limita las deflexiones desarrolladas en bordes y esquinas (Criterio de
verificación por erosión). Limitante para elevado tránsito pesado.
• Recientemente el ACPA ha lanzado una nueva versión para vías de Bajo Volumen
de Tránsito Pesado (ACPA StreetPave).

28
Ubicación Crítica de Cargas
Posición crítica de la carga para
las Tensiones de Flexión
Banquina de Hormigón
(si existe)
Carril
Junta transversal
Eje
Tándem
Posición crítica de la carga para
las Deformaciones
(si existe)
Carril
Junta transversal
Eje
Tándem

29
Factores involucrados en el diseño
• Capacidad soporte de la subrasante (k subrasante).
• Tipo y espesor de Subbase (k combinado).
• Propiedades mecánicas del hormigón.
• Período de diseño.
• Tránsito. Configuración de cargas por eje.
• Transferencia de cargas en juntas transversales (pasadores /
trabazón entre agregados).
• Transferencia de carga en bordes (Tipo de banquina /
sobreanchos de calzada).
• Factor de seguridad de cargas. Siempre incorporar
el valor medio o más
probable

30
METODO AASHTO 1993
AASHO Road Test (1958-1960)
• Tercer ensayo a gran escala en
pavimentos.
• Se evaluaron secciones de
pavimento rígido y flexible.
• Se evaluaron distintas
configuraciones de carga,
espesores de calzada y subbase.
• Se estudiaron secciones de
pavimentos de hormigón simple y
reforzado.
• Objetivo central: desarrollar
relaciones entre cargas de tránsito
pesado aplicadas, estructura del
pavimento y pérdida de
Serviciabilidad.

Circuitos de Ensayo AASHO

Procedimiento AASHTO y sus
modificaciones
1961-62 AASHO Interim Guide for the
Design of Rigid and Flexible
Pavements
1972 AASHTO Interim Guide for
the Design of Pavement
Structures - 1972
1981 Revised Chapter III on
Portland Cement Concrete
Pavement Design
1986 Guide for the Design of
Pavement Structures
1993 Revised Overlay Design
Procedures
1998 Allowed for seasonal
adjustments in k-value

( )
+
Log
PSI
4.5 - 1.5
1+
1.624 *10
D
7






+














∆
1
8 46
.
Log(W18) Z *s +7.35*Log(D +1)-0.06
R o
=
Variable Z (Conf:R) Desvío Estándar
Global Espesor
Cambio de Serviciabilidad
( )
+ 4.22- 0.32pt
*
( )
Log
215.63*J * D -
18.42
E /k
0.75
c






















0 25
.
Serviciabilidad
Final
[ ]
S' C D 1.132
c d
0.75
−
* *
Coeficiente
de drenaje
Transferencia
de Carga
Módulo de
Rotura
Módulo de
elasticidad
Modulo de
reacción
Ecuación de Diseño de Pavimentos de
Hormigón 1986-93

34
• Serviciabilidad Inicial (po).
• Serviciabilidad final (pt).
• Período de diseño
• Tránsito en ejes equivalentes (W18)
• Factor de transferencia de carga (J)
• Módulo de rotura del Hormigón (MR)
• Módulo de elasticidad del Hormigón ( Ec)
• Módulo de reacción de la subrasante (k, LOS)
• Coeficiente de drenaje (Cd)
• Confiabilidad (R, ZR).
• Desvío Global (so).
METODO AASHTO 1993
Factores involucrados en el diseño
Siempre incorporar
el valor medio o más
probable

35
Transferencia de Carga - Efecto de pasadores y
• La transferencia de carga en las juntas y bordes de calzada se tiene en
cuenta mediante el Factor de Transferencia de Carga, J.
• Depende del tipo de pavimento, de las condiciones de soporte de
bordes y de la transferencia de carga en juntas.
ESAL´s [Millones]
Soporte de Borde
JPCP y JRCP (c-pas) JPCP (s-pas)
NO SI NO SI
< 0,3 3,2 2,7 3,2 2,8
0,3 a 1 3,2 2,7 3,4 3,0
1 a 3 3,2 2,7 3,6 3,1
3 a 10 3,2 2,7 3,8 3,2
10 a 30 3,2 2,7 4,1 3,4
> 30 3,2 2,7 4,3 3,6
Fuente: WinPAS Manual - Simplified Design Guide.

36
Propiedades de la Subrasante
/Subbase
• Módulo resiliente
subrasante (Mr)
• Tipo de Subbase (E)
• Espesor de Subbase
Pérdida de
Soporte
Módulo de reacción Combinado (kc)
Propiedades de la subrasante y Subbase asociadas al
diseño son:

37
Propiedades de la Subrasante
/Subbase
Pérdida de soporte
• La Pérdida de soporte tiene en
cuenta la erosión de la subbase
y subrasante.
• Mediante este factor se reduce
el valor k debido a la esperada
por la erosión de la subrasante.
• Una pérdida de soporte de 0
considera la condición del suelo
en el ensayo AASHO.
• Este valor se sitúa entre 0 y 3.
A excepción que se prevea
una resistencia a la erosión inferior a
la condición de la prueba AASHO,
adoptar LOS = 0

38
LIMITACIONES DEL MÉTODO
AASHTO ACTUAL
Una zona climática / 2 años Un tipo de subrasante
Limitadas
secciones
de estudio
Limitadas repeticiones de carga

39
MEPDG
CLAVES QUE POSIBILITARON EL CAMBIO
• Los fundamentos técnicos
desarrollados en las últimas 3 décadas
a través de las distintas
investigaciones llevadas a cabo en
pavimento permitieron el desarrollo de
un procedimiento de base mecanicista.
• La disponibilidad de información
relativa a performance a largo plazo
recabada en pavimentos en servicio
(LTPP) que permitió la calibración y
validación de dichos modelos.
• La velocidad de los procesadores
actuales y la capacidad de
almacenamiento de las computadoras
modernas.

40
Diseño a Evaluar
Datos
Suelos Materiales Tránsito Clima
Respuestas Estructurales (σ, ε, δ)
Modelos de Predicción de comportamiento
Fallas Rugosidad
Verificación del Comportamiento
Criterio de falla
Confiabilidad
NO
SI
Diseño Final
REVISAR
DISEÑO
Cumple
Requisito
de Diseño?

EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS DE HºSº
FISURACIÓN POR FATIGA
Tensiones
Críticas
CARGA SOBRE BORDE
EXTERNO Y ALABEO
CONVEXO
(situación diurna).
Tensiones
Críticas
CARGA SOBRE JUNTAS Y
ALABEO CÓNCAVO (Situación
Nocturna)
41

ESCALONAMIENTOS DE JUNTAS
• Máximas deflexiones en esquinas
(POSICIÓN CRÍTICA).
• Concentración de tensiones en
interfase losa-apoyo.
• Disponibilidad de agua por debajo de
la losa.
• Finos disponibles para entrar en
suspensión (EROSIONABILIDAD)
42

RUGOSIDAD
Se determina a partir de:
• IRI inicial de construcción
• Evolución de deterioros (fisuración, escalonamiento, etc)
• Condiciones climáticas.
No existe un modelo de deterioro que prediga la evolución de la rugosidad
43

VERIFICACIÓN
El diseño propuesto será verificado con el criterio de verificación para cada tipo de
falla.
Fisuración
(Máximo permitido)
De 10% a 45%
Escalonamiento
(Máximo permitido)
De 2,5mm a 5,0mm
Rugosidad
(Máximo permitido)
De 2,5 m/km a 4,0m/km
44

45
MEPDG - SOFTWARE
• Período de diseño, Tipo de Pavimento, fecha de
Construcción e inauguración.
• Umbrales de deterioro, Confiabilidad, Rugosidad
Inicial.
• Volumen inicial de vehículos pesados y crecimiento.
Distribución mensual y horaria de cada tipo de
vehículo
• Distribución de cargas para cada tipo de vehículo y
tipo de eje.
• Ubicación respecto a la línea demarcatoria (Media,
So), Ancho de carril, Configuración de ejes para cada
categoría, distancias típicas entre ejes y ruedas,
presión de inflado, etc.
• Selección de estación climática.
• Espesor de calzada, separación de juntas, tipo de
sellado, configuración de pasadores, tipo de
Banquinas, ancho de losa, características físicas y
mecánicas, etc.
• Tipo de Base, Características mecánicas, Resistencia
a la erosión.
• Características físicas y mecánicas de las capas
restantes y subrasante.

MEPDG - SOFTWARE
Predicted Cracking
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Pavement age, years
Percent
slabs
cracked,
%
Percent slabs cracked
Cracked at specified reliability
Limit percent slabs cracked
46

¿QUE FACTORES PUEDEN ANALIZARSE?
COEFICIENTE DE DILATACIÓN TÉRMICA
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25
Edad, años
Losas
Fisuradas,
%
CTE = 13 x 10-6 1/ºC
CTE = 12 x 10-6 1/ºC
CTE = 11 x 10-6 1/ºC
CTE = 10 x 10-6 1/ºC
CTE = 9 x 10-6 1/ºC
47

SEPARACIÓN DE JUNTAS TRANSVERSALES
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25
Edad, años
Losas
Fisuradas,
%
S = 5,50 m
S = 5,25 m
S = 5,00 m
S = 4,75 m
S = 4,50 m
48

MÓDULO DE ELASTICIDAD DEL HORMIGÓN
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25
Edad, años
Losas
Fisuradas,
%
E = 38 GPa
E = 36 GPa
E = 34 GPa
E = 32 GPa
E = 30 GPa
49

TRANSFERENCIA DE CARGA
DIÁMETRO DE PASADORES
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5 10 15 20 25
Edad, años
Escalonamiento,
mm
Sin Pasadores
Pasadores 25 mm
Pasadores 32 mm
Pasadores 38 mm
Pasadores 32 mm c-sob
50

TRANSFERENCIA DE CARGA EN BORDES Y JUNTAS
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5 10 15 20 25
Edad, años
Escalonamiento,
mm
Sin Pasadores
Sin Pasadores c-Sob
Pasadores 32 mm
Pasadores 32 mm c-sob
51

52
• Método de diseño de pavimentos
de hormigón basado en el método
de la Portland Cement
Association (1984).
• Se había desarrollado
originalmente como un nuevo
software bajo Windows que
reemplazara el PCAPAV
ACPA StreetPave
• Se recomienda aplicarlo para el diseño de arterias con bajos volúmenes de
tránsito pesado.
• Se consideró que algunos aspectos del método anterior llevaban a
soluciones muy conservadoras, por lo cuál fue extensivamente revisado.
• Se conservaron ambos criterios de verificación, aunque eliminando aquellos
factores que se consideró que generaban un sobre-dimensionamiento.

53
MODELO DE FATIGA (PCA)

54
MODELO DE FATIGA (ACPA)
0
2
4
6
8
10
12
14
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Relación de Tensiones
Numero
de
aplicaciones
admisibles,
Log
N
PCA
S = 95%
S = 90%
S = 80%
S = 70%
S = 60%
S = 50%
( )
217
.
0
24
.
10
0112
.
0
log
)
log( 




 ⋅
−
=
−
S
SR
Nf

55
• Valor soporte de los suelos de subrasante.
• Tipos, espesores y Módulos de las distintas capas (kc).
• Propiedades mecánicas del hormigón (MR, E).
• Período de diseño.
• Tránsito. Configuración de cargas por eje. Crecimiento, Distribución, etc.
• Transferencia de cargas en juntas transversales (pasadores / trabazón
entre agregados).
• Transferencia de carga en bordes (Tipo de banquina / sobreanchos de
calzada).
• Confiabilidad.
• Porcentaje de Losas Fisuradas.
FACTORES INVOLUCRADOS EN EL
DISEÑO

56
PORCENTAJE DE LOSAS
FISURADAS
Clasificación Confiabilidad Losas Fisuradas
Losas fisuradas
(valor probable)
Residencial Liviano 75 % 15 % 7,5 %
Residencial 80 % 15 % 6 %
Colectoras 85 % 10 % 3 %
Arteria Menor 90 % 10 % 2 %
Arteria Principal 95 % 5% 0,5 %
Efecto combinado del Porcentaje de losas fisuradas con la confiabilidad.
( )
5
.
0
1
1 LF
P
R
S
⋅
−
−
=
50%
/
Fisuradas
Losas
dad)
Confiabili
(100%
Probable
Valor ⋅
−
=

Ejemplo (ACPA StreetPave)
57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

ING. DIEGO H. CALO
COORDINADOR
DEPARTAMENTO TÉCNICO DE PAVIMENTOS
dcalo@icpa.com.ar
GRACIAS
67

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