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Apunte pavimentos

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Departamento de Transporte



1.     Conceptos básicos sobre pavimentos.............................................................................. 2

     1.1.      Introducción ............................................................................................................. 2

     1.2.      Componentes estructurales del pavimento.............................................................. 2

     1.3.      Fundamentos del diseño de pavimentos ................................................................. 5

     1.4.      Factores que intervienen en el cálculo de espesores .............................................. 5

       1.4.1.         Tránsito ............................................................................................................ 6

       1.4.2.         Resistencia de los materiales .......................................................................... 6

       1.4.3.         Subrasante....................................................................................................... 7

       1.4.4.         Drenaje............................................................................................................. 7

       1.4.5.         Acción de las heladas ...................................................................................... 7

       1.4.6.         Vida útil para el diseño..................................................................................... 8

2.     Métodos de diseño de pavimentos flexibles..................................................................... 9

     3.1       Método Shell ............................................................................................................ 9

     3.2       Procedimiento de diseño ....................................................................................... 11

       1.4.7.         Tránsito .......................................................................................................... 11

       1.4.8.         Características de la subrasante.................................................................... 11

       1.4.9.         Ábacos de dimensionado............................................................................... 11

3.     Pavimentos de Hormigón ............................................................................................... 13

     3.1       Subrasante............................................................................................................. 13

     3.2       Calidad del hormigón ............................................................................................. 15

     3.3       Juntas .................................................................................................................... 15

       1.4.1.         Juntas longitudinales...................................................................................... 16

       1.4.2.         Juntas transversales ...................................................................................... 16

       1.4.3.         Juntas de expansión ...................................................................................... 17

     1.5.      Análisis estructural del diseño y método para el dimensionamiento...................... 18

       1.5.1.         Fatiga ............................................................................................................. 18

       1.5.2.         Método para el dimensionamiento ................................................................. 19

4.     Bibliografía...................................................................................................................... 21




                                                                     1
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       1. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE PAVIMENTOS

            1.1. Introducción
La función de un pavimento es la de proveer una superficie de rodamiento adecuada al
tránsito y distribuir las cargas aplicadas por el mismo, sin que se sobrepasen las tensiones
admisibles de las distintas capas del pavimento y de los suelos de fundación.

Un buen diseño debe cumplir con las condiciones enunciadas precedentemente al menor
costo inicial y con un mínimo de conservación durante la vida útil del pavimento.

El objetivo del diseño de un pavimento es el de calcular el mínimo espesor necesario de
cada una de las capas para que cumplen con las exigencias anteriores, teniendo en cuenta
los valores económicos de las mismas para lograr la solución técnico-económica más
conveniente.


            1.2. Componentes estructurales del pavimento
Los pavimentos están formados por capas de resistencia decreciente con la profundidad.
Generalmente se componen de: carpeta de rodamiento – que puede ser de asfáltica o de
hormigón - base y subbase apoyado todo este conjunto sobre la subrasante. En algunos
casos pueden faltar algunas de estas capas1.

La función de cada una de las capas del pavimento es doble:

                 1) distribuir las tensiones provenientes de la parte superior reduciéndolas hasta
                      valores admisibles para las capas inferiores y,

                 2) ser      suficientemente          resistentes       por    sí    mismas        para     soportar,       sin
                      deformaciones permanentes, las cargas a las cuales están sujetas.

En la figura 1 se muestra un perfil de un pavimento.




1
    En los perfiles urbanos el perfil tipo posee además un cordón cuneta, que en nuestro medio generalmente es de Hº.
                                                                2
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    Figura Nº 1: Distribución del peso de la rueda desde el punto de contacto hasta la última capa de suelo. Caso
                                          particular de pavimento flexible.
             Fuente: “Trasportation Engineering and Planning” 3 Edition, Papacostas and Prevedouros




La figura 2 ilustra el efecto de distribución de tensiones debido a capas superiores del
pavimento. La carga aplicada por una rueda sobre la superficie de un pavimento puede
asimilarse a una carga uniforme “p”, igual a la presión de inflado del neumático, distribuida
sobre un área circular, equivalente al área de contacto del mismo. Los valores de las
tensiones verticales que se obtienen pueden expresarse como porcentaje de la carga
uniformemente aplicada y el área cargada se considera radial de radio “a”.

En la figura 2.a se observa que las máximas tensiones verticales se encuentran sobre el eje
de simetría y disminuyen marcadamente a medida que la profundidad pasa de “a” a 2a” y
“3a”. Se compara la situación de un medio homogéneo2 (en el que E1=E2) y el caso en que
existe una capa superior de mayor rigidez3 que la subyacente siendo su módulo de
elasticidad E1= 10 E2.




2
 La distribución de tensiones en el interior de un macizo homogéneo por acción de una carga puntual ha sido resuelta por
Boussinesq, solución que ha sido extendida por integración al caso de una carga uniforme y de dimensión finita.
3
 La distribución de tensiones en estructuras multicapas se debe a la teoría desarrollada por M.D. Burminster, con posterioridad
a Boussinesq. Los sistemas de ecuaciones permiten calcular en función de los módulos resistentes, el módulo de Poisson y los
espesores, las tensiones y deformaciones en todo el pavimento. El mismo autor resolvió el sistema de ecuaciones propuesto
                                                              3
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Análogamente en la figura 2.b se representan los esfuerzos tangenciales calculados para
relaciones modulares E1/E2 iguales a 1, 10 y 100.

Del análisis de la figura se desprende claramente la influencia en la distribución de tensiones
que tienen las capas con módulos resistentes elevados. Las tensiones en las capas
inferiores disminuyen sensiblemente, en tanto que se produce una concentración de
tensiones en la capa superior.




 Figura Nº 2: Distribución de tensiones en un sistema bicapa. Distribución de tensiones verticales y tangenciales.




exclusivamente para un sistema de dos capas de módulos E1 y E2; espesor de la primera capa igual al radio del área cargada
y el espesor de la segunda semi infinito.
                                                            4
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Los calores de los módulos E2 de los materiales sin cementación varían entre 300 kg/cm2
para suelos y aún menores en caso de embebido y baja densificación hasta
aproximadamente 10.000 kg/cm2 en casos excepcionales para materiales de base con muy
alta densificación.

Para la capa superior, si se trata de concreto asfáltico E1 puede alcanzar valor de 100.000
kg/cm2 a bajas temperaturas y disminuir hasta 10.000 kg/cm2 para temperaturas muy
elevadas. A 15º C de temperatura el módulo E1 es igual a 50.000 kg/cm2.


       1.3. Fundamentos del diseño de pavimentos
Para el cálculo de los espesores de un pavimento, como para el dimensionamiento de todas
las estructuras de ingeniería, es necesario hacer el análisis de la carga que va a actuar,
conocer la resistencia de los materiales de que se dispone y estudiar la fundación sobre la
que se va a apoyar el conjunto.

El diseño de pavimentos comprende básicamente dos aspectos:

   1) el diseño de las mezclas y/o materiales a emplear en el pavimento, y

   2) el diseño estructural o dimensionamiento de los componentes del pavimento.

Ambos aspectos si bien son diferentes, deben llevarse en forma conjunta. En efecto, en el
caso del dimensionamiento de un pavimento el cálculo de espesores dependerá de la
resistencia de las diversas capas estructurales, la que se relaciona directamente con las
características de los materiales y de las mezclas a emplear en la construcción de las
mismas. Asimismo, algunas de estas propiedades condicionan los procesos constructivos,
como por ejemplo, la compactación.

De allí que el proyecto de un pavimento no se limita a indicar los espesores de las diversas
capas que constituyen la estructura adoptada, sino que se complementa con las
especificaciones técnicas en las que se definen los requerimientos de las mezclas a
emplear, y la manera en que se han de llevar a cabo los procedimientos constructivos para
satisfacer dichos requerimientos.


       1.4. Factores que intervienen en el cálculo de espesores
Los pavimentos son diseñados para obtener en forma económica un buen comportamiento
durante una larga vida de servicio. Diversos factores deben analizarse para obtener el
diseño del más bajo costo anual. Estos factores son:

                                             5
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         •    Tránsito considerando las cargas por eje o rueda y su frecuencia

         •    Resistencia de los materiales

         •    Subrasante

         •    Drenaje

         •    Acción de las heladas

         •    Vida útil para el diseño




             1.4.1.     TRÁNSITO

En el análisis de las cargas actuantes, se deben tener en cuenta el peso u número de
vehículos que van a circular durante la vida útil del pavimento. No es posible llegar al
conocimiento exacto de estos números ya que el mismo resulta cambiante a través del
tiempo, pudiéndose hacer solamente estimaciones en base a hipótesis más o menos
ajustadas a la realidad.

Originariamente se tenían en cuenta las cargas máximas, pero posteriormente, se ha
verificado la importancia de la repetición de cargas y la influencia de la fatiga en la falla de
los pavimentos.

El volumen y carácter del tránsito fijan el ancho del pavimento, mientras que el peso y la
frecuencia de las cargas de los ejes o de las ruedas de los vehículos, determinan el espesor
y otras características del diseño estructural.


             1.4.2.     RESISTENCIA DE LOS MATERIALES
La determinación de la resistencia de los materiales que intervienen en la estructura deben
hacerse en la forma más critica de trabajo: si los materiales de base son de tipo granular y
pueden ser afectados por la presencia de agua, proveniente de la napa, el ensayo debe
hacerse en eses condiciones de humedad.

Los ensayos de resistencia deben ser complementados con ensayos de durabilidad de tal
forma que se tenga seguridad de la permanencia de sus propiedades en el tiempo.

En el caso de las mezclas asfálticas, hay que tener en cuenta las condiciones de
temperatura de servicio, ya que en materiales plasto-elásticos la resistencia varía
sustancialmente con la misma.


                                                  6

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  • 1. Departamento de Transporte 1. Conceptos básicos sobre pavimentos.............................................................................. 2 1.1. Introducción ............................................................................................................. 2 1.2. Componentes estructurales del pavimento.............................................................. 2 1.3. Fundamentos del diseño de pavimentos ................................................................. 5 1.4. Factores que intervienen en el cálculo de espesores .............................................. 5 1.4.1. Tránsito ............................................................................................................ 6 1.4.2. Resistencia de los materiales .......................................................................... 6 1.4.3. Subrasante....................................................................................................... 7 1.4.4. Drenaje............................................................................................................. 7 1.4.5. Acción de las heladas ...................................................................................... 7 1.4.6. Vida útil para el diseño..................................................................................... 8 2. Métodos de diseño de pavimentos flexibles..................................................................... 9 3.1 Método Shell ............................................................................................................ 9 3.2 Procedimiento de diseño ....................................................................................... 11 1.4.7. Tránsito .......................................................................................................... 11 1.4.8. Características de la subrasante.................................................................... 11 1.4.9. Ábacos de dimensionado............................................................................... 11 3. Pavimentos de Hormigón ............................................................................................... 13 3.1 Subrasante............................................................................................................. 13 3.2 Calidad del hormigón ............................................................................................. 15 3.3 Juntas .................................................................................................................... 15 1.4.1. Juntas longitudinales...................................................................................... 16 1.4.2. Juntas transversales ...................................................................................... 16 1.4.3. Juntas de expansión ...................................................................................... 17 1.5. Análisis estructural del diseño y método para el dimensionamiento...................... 18 1.5.1. Fatiga ............................................................................................................. 18 1.5.2. Método para el dimensionamiento ................................................................. 19 4. Bibliografía...................................................................................................................... 21 1
  • 2. Departamento de Transporte 1. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE PAVIMENTOS 1.1. Introducción La función de un pavimento es la de proveer una superficie de rodamiento adecuada al tránsito y distribuir las cargas aplicadas por el mismo, sin que se sobrepasen las tensiones admisibles de las distintas capas del pavimento y de los suelos de fundación. Un buen diseño debe cumplir con las condiciones enunciadas precedentemente al menor costo inicial y con un mínimo de conservación durante la vida útil del pavimento. El objetivo del diseño de un pavimento es el de calcular el mínimo espesor necesario de cada una de las capas para que cumplen con las exigencias anteriores, teniendo en cuenta los valores económicos de las mismas para lograr la solución técnico-económica más conveniente. 1.2. Componentes estructurales del pavimento Los pavimentos están formados por capas de resistencia decreciente con la profundidad. Generalmente se componen de: carpeta de rodamiento – que puede ser de asfáltica o de hormigón - base y subbase apoyado todo este conjunto sobre la subrasante. En algunos casos pueden faltar algunas de estas capas1. La función de cada una de las capas del pavimento es doble: 1) distribuir las tensiones provenientes de la parte superior reduciéndolas hasta valores admisibles para las capas inferiores y, 2) ser suficientemente resistentes por sí mismas para soportar, sin deformaciones permanentes, las cargas a las cuales están sujetas. En la figura 1 se muestra un perfil de un pavimento. 1 En los perfiles urbanos el perfil tipo posee además un cordón cuneta, que en nuestro medio generalmente es de Hº. 2
  • 3. Departamento de Transporte Figura Nº 1: Distribución del peso de la rueda desde el punto de contacto hasta la última capa de suelo. Caso particular de pavimento flexible. Fuente: “Trasportation Engineering and Planning” 3 Edition, Papacostas and Prevedouros La figura 2 ilustra el efecto de distribución de tensiones debido a capas superiores del pavimento. La carga aplicada por una rueda sobre la superficie de un pavimento puede asimilarse a una carga uniforme “p”, igual a la presión de inflado del neumático, distribuida sobre un área circular, equivalente al área de contacto del mismo. Los valores de las tensiones verticales que se obtienen pueden expresarse como porcentaje de la carga uniformemente aplicada y el área cargada se considera radial de radio “a”. En la figura 2.a se observa que las máximas tensiones verticales se encuentran sobre el eje de simetría y disminuyen marcadamente a medida que la profundidad pasa de “a” a 2a” y “3a”. Se compara la situación de un medio homogéneo2 (en el que E1=E2) y el caso en que existe una capa superior de mayor rigidez3 que la subyacente siendo su módulo de elasticidad E1= 10 E2. 2 La distribución de tensiones en el interior de un macizo homogéneo por acción de una carga puntual ha sido resuelta por Boussinesq, solución que ha sido extendida por integración al caso de una carga uniforme y de dimensión finita. 3 La distribución de tensiones en estructuras multicapas se debe a la teoría desarrollada por M.D. Burminster, con posterioridad a Boussinesq. Los sistemas de ecuaciones permiten calcular en función de los módulos resistentes, el módulo de Poisson y los espesores, las tensiones y deformaciones en todo el pavimento. El mismo autor resolvió el sistema de ecuaciones propuesto 3
  • 4. Departamento de Transporte Análogamente en la figura 2.b se representan los esfuerzos tangenciales calculados para relaciones modulares E1/E2 iguales a 1, 10 y 100. Del análisis de la figura se desprende claramente la influencia en la distribución de tensiones que tienen las capas con módulos resistentes elevados. Las tensiones en las capas inferiores disminuyen sensiblemente, en tanto que se produce una concentración de tensiones en la capa superior. Figura Nº 2: Distribución de tensiones en un sistema bicapa. Distribución de tensiones verticales y tangenciales. exclusivamente para un sistema de dos capas de módulos E1 y E2; espesor de la primera capa igual al radio del área cargada y el espesor de la segunda semi infinito. 4
  • 5. Departamento de Transporte Los calores de los módulos E2 de los materiales sin cementación varían entre 300 kg/cm2 para suelos y aún menores en caso de embebido y baja densificación hasta aproximadamente 10.000 kg/cm2 en casos excepcionales para materiales de base con muy alta densificación. Para la capa superior, si se trata de concreto asfáltico E1 puede alcanzar valor de 100.000 kg/cm2 a bajas temperaturas y disminuir hasta 10.000 kg/cm2 para temperaturas muy elevadas. A 15º C de temperatura el módulo E1 es igual a 50.000 kg/cm2. 1.3. Fundamentos del diseño de pavimentos Para el cálculo de los espesores de un pavimento, como para el dimensionamiento de todas las estructuras de ingeniería, es necesario hacer el análisis de la carga que va a actuar, conocer la resistencia de los materiales de que se dispone y estudiar la fundación sobre la que se va a apoyar el conjunto. El diseño de pavimentos comprende básicamente dos aspectos: 1) el diseño de las mezclas y/o materiales a emplear en el pavimento, y 2) el diseño estructural o dimensionamiento de los componentes del pavimento. Ambos aspectos si bien son diferentes, deben llevarse en forma conjunta. En efecto, en el caso del dimensionamiento de un pavimento el cálculo de espesores dependerá de la resistencia de las diversas capas estructurales, la que se relaciona directamente con las características de los materiales y de las mezclas a emplear en la construcción de las mismas. Asimismo, algunas de estas propiedades condicionan los procesos constructivos, como por ejemplo, la compactación. De allí que el proyecto de un pavimento no se limita a indicar los espesores de las diversas capas que constituyen la estructura adoptada, sino que se complementa con las especificaciones técnicas en las que se definen los requerimientos de las mezclas a emplear, y la manera en que se han de llevar a cabo los procedimientos constructivos para satisfacer dichos requerimientos. 1.4. Factores que intervienen en el cálculo de espesores Los pavimentos son diseñados para obtener en forma económica un buen comportamiento durante una larga vida de servicio. Diversos factores deben analizarse para obtener el diseño del más bajo costo anual. Estos factores son: 5
  • 6. Departamento de Transporte • Tránsito considerando las cargas por eje o rueda y su frecuencia • Resistencia de los materiales • Subrasante • Drenaje • Acción de las heladas • Vida útil para el diseño 1.4.1. TRÁNSITO En el análisis de las cargas actuantes, se deben tener en cuenta el peso u número de vehículos que van a circular durante la vida útil del pavimento. No es posible llegar al conocimiento exacto de estos números ya que el mismo resulta cambiante a través del tiempo, pudiéndose hacer solamente estimaciones en base a hipótesis más o menos ajustadas a la realidad. Originariamente se tenían en cuenta las cargas máximas, pero posteriormente, se ha verificado la importancia de la repetición de cargas y la influencia de la fatiga en la falla de los pavimentos. El volumen y carácter del tránsito fijan el ancho del pavimento, mientras que el peso y la frecuencia de las cargas de los ejes o de las ruedas de los vehículos, determinan el espesor y otras características del diseño estructural. 1.4.2. RESISTENCIA DE LOS MATERIALES La determinación de la resistencia de los materiales que intervienen en la estructura deben hacerse en la forma más critica de trabajo: si los materiales de base son de tipo granular y pueden ser afectados por la presencia de agua, proveniente de la napa, el ensayo debe hacerse en eses condiciones de humedad. Los ensayos de resistencia deben ser complementados con ensayos de durabilidad de tal forma que se tenga seguridad de la permanencia de sus propiedades en el tiempo. En el caso de las mezclas asfálticas, hay que tener en cuenta las condiciones de temperatura de servicio, ya que en materiales plasto-elásticos la resistencia varía sustancialmente con la misma. 6
  • 7. Departamento de Transporte Con los resultados de la resistencia de los materiales a los que se les aplica coeficientes de seguridad adecuados al tipo de estructura que tenemos y conociendo las tensione a que se encuentra sometido, se puede proceder al dimensionado del pavimento. 1.4.3. SUBRASANTE El estudio de la fundación debe realizarse como en el caso de capa de rodamiento, base y subbase: en las condiciones más criticas de servicio. Generalmente los procedimientos y ensayos que se utilizan para el estudio de la subrasante son los mismos que se utilizan para los materiales de subbase y base cuando no tienen cimentación. El punto fundamental es conocer el grado de compactación y porcentaje de humedad que va a tener en obra y hacer los ensayos en estas condiciones. Una buena densificación de la subrasante es fundamental para lograr un buen comportamiento de toda la estructura, evitando así el posterior asentamiento por consolidación. En el caso de pavimentos rígidos la uniformidad de la subrasante presenta una importancia ulterior, como es explicado más adelante. 1.4.4. DRENAJE Merece una consideración especial el drenaje adecuado del pavimento, tanto superficial como subterráneo. El agua superficial debe ser evacuada a través de cunetas o desagües pluviales. Con respecto al drenaje subterráneo hay que tomar precauciones necesarias para que el nivel de la napa se encuentre suficientemente alejado del pavimento y en caso contrario, utilizar capas drenantes que resulten menos susceptibles a la presencia de agua. Con este objeto, en algunos casos resulta aconsejable la colocación de capas relativamente gruesas de arena; o capas alternativas drenantes de arena e impermeables de suelo para cortar la capilaridad y facilitar la compactación. 1.4.5. ACCIÓN DE LAS HELADAS La acción de las heladas produce dos efectos perjudiciales en los pavimentos: 1) Levantamiento del pavimento por la presión que origina el mayor espacio que ocupa el agua congelada. 7
  • 8. Departamento de Transporte 2) Ablandamiento de la subrasante por el agua de deshielo. Para ponerse del lado de la seguridad del efecto destructivo debe evitarse la presencia de agua hasta las profundidades de penetración de la helada. La profundidad de penetración depende de la temperatura bajo el punto de congelamiento y del tiempo que la misma se mantiene, ya que la transmisión de calor no es instantánea en estos materiales. Por esta circunstancia solamente se producen problemas de esta índole en los lugares cuyo clima es riguroso durante períodos prolongados. Los suelos más susceptibles son los suelos finos que tienen elevada capilaridad y baja cohesión, entrando dentro de esta clasificación los duelos limosos y limo-arenosos. Las arenas y los suelos arcillosos resultan menos sensibles. En consecuencia en los climas en la que acción de las heladas penetre hasta profundidades que afecten las capas de la estructura y la subrasante, es necesario construir las primeras con materiales que no sean sensibles y en el caso de la subrasante, se deben sustituir los suelos no aptos hasta las profundidades de penetración de la helada. Afortunadamente, este problema de gran importancia en algunos países, no es crítico en el nuestro, salvo en algunas regiones particulares. 1.4.6. VIDA ÚTIL PARA EL DISEÑO Conociendo las condiciones del tránsito, el pavimento puede ser diseñado para la vida de servicio que se desee. Debe establecerse el volumen y peso del tránsito futuro previsible. Se acostumbra a tomar vidas útiles del pavimento rígido comprendidas entre 30 y 50 años. Par el caso de pavimentos flexibles las vidas útiles suelen estar comprendidas entre 15 y 20 años. 8
  • 9. Departamento de Transporte 2. MÉTODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES Existen distintos métodos de diseño de pavimentos flexibles: 1) El método Porter o del Valor Soporte California (CBR): desarrollado en California por Porter y entra dentro del grupo de los métodos empíricos. La idea directriz del autor fue la de buscar un procedimiento que teniendo en cuenta las propiedades de los materiales y el tránsito, fuera suficientemente simple para poder utilizar, no solamente en el laboratorio en la faz de proyecto, sino también en obra para hacer un control de la construcción efectivo. 2) Método del Instituto del Asfalto de los EEUU (AASHTO): es también un método empírico, basándose principalmente en trabajos de correlación de tipo estadístico.. Ha recibido numerosas modificaciones y su forma actual se basa principalmente en la correlación establecida con los resultados de los caminos experimentales AASHTO. La investigación ha sido encarada tendiente a la utlizacón de espesores totales de mezcla bituminosa tipo concreto asfáltico (full depth), no obstante para a utilización de otros materiales de base se dan los coeficientes de equivalencia con los cuales se pueden hacer diseños alternativos y elegir la solución técnico- económica más conveniente. 3) Método SHELL: el método fue desarrollado por el equipo de investigación de la Shell y su procedimiento y fundamentos se encuentran en las Curvas Shell 1963, para el diseño de pavimentos flexibles. Basándose en la teoría de capas y en las ecuaciones de Burminster se han podido obtener los valores más críticos de las tensiones a que se encuentran sometida la estructura. 3.1 Método Shell Los materiales son considerados de comportamiento elástico dentro del ámbito de aplicación de las cargas dinámicas. Se considera un sistema de tres capas distribuidas de la siguiente forma: a) una capa o capas con ligante asfáltico. Se considera conjuntamente la carpeta de rodamiento con la base asfáltica cuando ésta existe; b) una capa o capas granulares (no cementadas); c) suelo de fundación o subrasante. 9
  • 10. Departamento de Transporte Las condiciones críticas se encuentran ubicadas en el eje de simetría del sistema. En la figura 15 se indican el sistema de capas considerado y las condiciones críticas que se encuentran sobre el eje de simetría y que son las siguientes: a) tensión de tracción en la cara inferior de la capa ligada con asfalto. En caso de que la misma exceda las tensiones admisibles se produce la figuración de la carpeta por la acción repetida de las cargas de tránsito (fatiga). b) Tensión de compresión vertical en la superficie de la subrasante; si es excesiva se producen deformaciones permanentes que se reflejan en la superficie. La determinación de los módulos resistentes de los materiales no cementados E2 y E3, ha sido hecha en las verdaderas condiciones de servicio utilizando métodos vibratorios en los cuales se hace uso de las propiedad de que los módulos guardan relación con la velocidad de propagación de ondas y la densidad del material. Heukelom y Foster encontraron que existe una cierta correlación entre el CBR y el módulo dinámico expresado en kg/cm2, y que está dada por la ecuación: E=q.CBR El valor de q varía entre 50 y 200, pero con una correlación mayor en la zona de q=100; en consecuencia, la ecuación de correlación es la siguiente: E=100.CBR Además demostraron que los valores de E2 y E3 son interdependientes y que su relación de E2/E3 no supera el valor de 2,5 dependiente de las condiciones de densificación de las capas. Por otra parte el módulo E1 de la mezcla asfáltica tampoco es constante, dependiendo de la temperatura y de la velocidad de aplicación de la carga. Se obtiene en laboratorio para una gama amplia de temperaturas y velocidad de aplicación de la carga, debiéndose elegir la situación más crítica de trabajo. 10
  • 11. Departamento de Transporte 3.2 Procedimiento de diseño 1.4.7. TRÁNSITO Se hace una estimación del tránsito reduciendo las cargas que van a actuar a un número equivalente de pasadas de un eje tipo de 8,2 toneladas. Para obtener el número total N de pasadas del eje de 8,2 tn se debe estudiar la distribución de las distintas cargas, obtener la equivalencia de las mismas con respecto al eje tipo y calcular el valor N. En forma práctica este método ha solucionado el problema calculando el Factor de Distribción de Cargas (FDC) diario, que es la equivalencia porcentual de la cara tipo, extrapolándolo a la vida útil estimada, por medio de la fórmula: FDC N = Total.de.ejes. por.trocha. por.día × Vida.útil (en.años) × 365 × 100 1.4.8. CARACTERÍSTICAS DE LA SUBRASANTE El Cálculo para el diseño se basa en el módulo elástico-dinámico del suelo. Como su medición por medio de los métodos vibratorios resulta engorrosa en el consecuencia no apto para el trabajo de rutina, se utilizan las correlaciones obtenidas para el CBR y para el ensayo de carga. Por las razones apuntadas anteriormente se aconseja utilizar el ensayo de CBR. La correlación ha sido establecida por el módulo dinámic y el CBR hecho “in situ”. A los efectos del dimensionado el moldeo de la probeta debe hacerse con la “humedad de equilibrio” de la subrasante en servicio. Este grado de humedad es similar al que tiene el suelo a una profundidad de 0,90 m de acuerdo a las investigaciones realizadas en Inglaterra. En los casos en que el suelo vaya a estar expuesto a la penetración de las heladas, el ensayo debe hacerse con el suelo saturado. En estos casos, cuando el suelo sea limoso conviene utilizar capas asfálticas de espesores superiores a los mínimos en los gráficos. 1.4.9. ÁBACOS DE DIMENSIONADO Los ábacos para el dimensionado han sido preparados para que no se sobrepasen la deformación admisible por compresión vertical de la subrasante (parte curva de los ábacos), ni la tensión de tracción en la capa asfáltica (parte recta de los ábacos). 11
  • 12. Departamento de Transporte Con el valor del CBR de la subrasante, se elige el ábaco correspondiente, en el cual entrando con el valor N de tránsito se obtienen los espesores de mezcla asfáltica y material granular no cementado para subbase y base. En los mismos ábacos figuran separados por líneas punteadas los espesores y CBR mínimos que deben tener las capas de subbase y base no cementadas. Como se puede ver existen múltiples combinaciones de mezcla asfáltica y capas granulares que resuelven casa caso, debiéndose elegir entre ellas las que den la solución más económica. Resumiendo, la mecánica del dimensionado es la siguiente: a) Establecer la característica de la subrasante. Ensayo CBR. b) Establecer el número N de repeticiones de carga equivalente. c) Elegir entre las variantes de la construcción. Ábacos de diseño d) Determinar las características para el material granular. Ábacos de diseño. 12
  • 13. Departamento de Transporte 3. PAVIMENTOS DE HORMIGÓN 3.1 Subrasante Como consecuencia de su rigidez, el pavimento de hormigón tiene considerable resistencia de flexión denominada también de viga y alta capacidad para distribuir las cargas. Las presiones sobre el suelo o material debajo del pavimento, son muy pequeñas por la distribución de las cargas sobre una amplia superficie. Se deduce en consecuencia que los pavimentos de hormigón no requieren subrasantes resistentes. Para asegurar el comportamiento satisfactorio del pavimento de hormigón, es necesario que el suelo de la subrasante posea características y densidad uniformes, es decir, soporte uniforme. En las superficies inestables que aparecen durante la construcción, debe excavarse el material y reemplazarse por otro del mismo tipo de las zonas adyacentes, compactad a similar densidad: es equivocado el criterio de llenar los baches de áreas débiles con material granular de mejor calidad que el adyacente, porque de este modo se atenta contra el soporte uniforme que necesita el pavimento de hormigón. Con una razonable uniformidad de la subrasante y previniendo los cambio volumétricos excesivos de los suelos expansivos con un cuidadoso control de la humedad y densidad durante la compactación, se logra una superficie adecuada para el asiendo del pavimento. La compactación de los suelos expansivos con un cuidados control de la humedad y densidad durante la compactación, se logra una superficie adecuada para el asiento del pavimento4. El soporte que la subrasante presta al pavimento se expresa con el valor del módulo de reacción “k” de la subrasante y puede ser determinado mediante ensayos de carga en el terreno o por correlación con valores soportes establecidos mediante otros ensayos. Para el diseño de pavimentos suelen usarse los siguientes valores del módulo k de la subrasante: 4 La compactación de los suelos expansivos con humedades iguales o ligeramente superiores a la óptima del ensayo IRAM 10511 (AASHTO normal T99-70), controlará efectivamente sus cambios volumétricos, aún en lugares de extensos períodos de tiempo seco, siempre que se evite el secado de esos suelos, antes de construir el pavimento. 13
  • 14. Departamento de Transporte k (kg/cm3) Tipo de suelo Comportamiento 2,8 Limo y arcilla Satisfactorio 5,5 Arenoso Bueno 8,3 Grava arenosa Excelente Cuando es necesaria un asubbase se construye casi siempre con materiales tratados con cemento; en este caso pueden adoptarse los valores de k que se expresan a continuación: Espesor de la subbase en cm (subrasante Valor k para el diseño (kg/cm3) con k=2,8 kg/cm3) 10 8,4 12,5 11,2 15 14,0 En caso de construirse subbases granulares no cementadas se aconsejan los siguientes valores de k: Espesor de la subbase (subrasante con Valor k para el diseño (kg/cm3) k=2,8 kg/cm3) 10,0 3,6 15,0 3,9 22,5 4,4 30,0 5,3 14
  • 15. Departamento de Transporte 3.2 Calidad del hormigón La elección de materiales y su dosificación para elaborar hormigones tiene por fin obtener: 1) durabilidad satisfactoria para las condiciones de servicio previstas 2) resistencia a la flexión deseada. Considerando que las tensiones críticas en el pavimento de hormigón son las de flexión, se utiliza para su diseño este tipo de resistencia, expresada por su módulo de rotura s`f.. Para condiciones promedio, el hormigón que posee un módulo de rotura (método de ensayo IRAM 1547 – ASTM C78) comprendido entre 45 y 55 kg/cm2 a los 28 días, resulta económicamente más conveniente. La cantidad de agua de la mezcla y su consolidación tiene una influencia crítica sobre la durabilidad del hormigón endurecido. Para un determinado y adecuado contenido de cemento, la menor cantidad de agua que produzca un hormigón plástico, trabajable y fácilmente consolidable, permitirá obtener la mayor durabilidad del hormigón endurecido5. Cuando se necesitan condiciones especiales de durabilidad, se aconseja la incorporación de aires al hormigón, la que además de mejorar la durabilidad del hormigón endurecido, mejora las condiciones del hormigón plástico al: 1) prevenir la segregación de los materiales 2) aumentar su trabajabilidad 3) disminuir la exudación 4) reducir la cantidad de agua necesaria para obtener una satisfactoria trabajabilidad 3.3 Juntas Las juntas tienen por fin mantener las tensiones que soporta el pavimento de hormigón, dentro de los límites admisibles, previniendo la formación de fisuras y grietas irregulares. 5 Como norma general, con agregados de buena calidad, puede emplearse un hormigón con una relación agua-cemento alrededor de 0,48 y un contenido mínimo de cemento de 325 kg/m3. La resistencia a la compresión promediada por secciones debe ser como mínimo de 300 kg/cm2 a los 28 días de edad. 15
  • 16. Departamento de Transporte 1.4.1. JUNTAS LONGITUDINALES Se instalan para controlar el agrietamiento longitudinal, espaciándose a intervalos de 2,5 a 4,0 m, coincidiendo generalmente con las líneas divisorias de trochas de tránsito. No es aconsejable superar el intervalo de 4,0 m a menos que la experiencia local indique que el pavimento con esas condiciones ha observado comportamiento satisfactorio. La profundidad de la ranura superior de estas juntas no debe ser inferior al cuarto del espesor del pavimento. Estas juntas llevan normalmente barras de unión que impiden la separación de sus bordes. Para más de cuatro trochas es conveniente intercalar una junta longitudinal machihembrada o ensamblada de bordes libres. 1.4.2. JUNTAS TRANSVERSALES Estas juntas denominadas de contracción, controlan el agrietamiento transversal al disminuir: 1) las tensiones de tracción que se originan cuando la losa se contrae 2) Las tensiones que causa el alabeo producido por diferenciales de temperatura y de contenido de humedad en el espesor de la losa. Cualquiera fuere el procedimiento constructivo de las juntas, la profundidad de la ranura debe ser por lo menos igual al cuarto del espesor de la losa. Una separación adecuada entre juntas que controle el agrietamiento eliminará la necesidad del uso de armadura distribuida en la losa6. La mejor guía con respecto a la separación entre juntas transversales, es la experiencia local sobre el comportamiento de pavimentos en servicio. Si no se cuenta con esta experiencia, pueden seguirse las siguientes indicaciones con razonable seguridad de obtener un satisfactorio control del agrietamiento. 6 La armadura distribuida en la losa tiene por único fin mantener unidos los bordes de cualquier grieta que eventualmente pudiera producirse. 16
  • 17. Departamento de Transporte Tipo de agregado grueso Máxima separación entre juntas transversales Granítico partido 6,00 m Calcáreo partido Grava calcárea Grava silícea 4,5 m Grava menor de 20mm (3/4”) Escoria La necesidad de colocar en las juntas transversales elementos para la transferencia de cargas (pasadores), depende de las condiciones de la subrasante y del tránsito que llevará el pavimento. Los pasadores no son necesarios en calles residenciales o de tránsito liviano, pero deben colocarse en calles que soporten el tránsito diario, de más de 60 a 90 camiones pesados (200 a 300 ejes pesados) por día, a menos que el pavimento asiente sobre una sólida subbase de material tratado con cemento. 1.4.3. JUNTAS DE EXPANSIÓN Su objeto es disminuir las tensiones de compresión, proveyendo un espacio entre losas, que permita el movimiento del pavimento cuando se expande. Cuando las juntas de contracción están adecuadamente separadas, la necesidad de las juntas de expansión depende, en gran medida de la temperatura ambiente predominante durante la construcción y de las características de expansión del agregado grueso empleado. Los estudios teóricos, el comportamiento de pavimentos en servicio y los resultados de tramos experimentales, muestran que con excepción de su colocación frente a estructuras existentes y en intersecciones irregulares, las juntas de expansión no son necesarias en los pavimentos de hormigón, si: 1) los agregados empleados tienen características normales de expansión 17
  • 18. Departamento de Transporte 2) la construcción tiene lugar con temperaturas normales 3) las juntas de contracción se ubican a intervalos que controlen el agrietamiento transversal, o 4) las juntas de contracción se mantienen perfectamente selladas para impedir la infiltración de materiales incompresibles. Si el pavimento se construye en invierno con bajas temperaturas, o si los agregados empleados son anormalmente expansivos, se colocarán juntas de expansión a distancias de 180 a 240 m. En condiciones normales, salvo las excepciones citadas anteriormente, debe prescindirse del uso de las juntas de expansión. Poner foto de juntas 1.5. Análisis estructural del diseño y método para el dimensionamiento El procedimiento de diseño presentando en este apartado está basado sobre fórmulas bien conocidas avaladas por estudios teóricos ensayos de laboratorio sobre losas a escala natural y el comportamiento de los pavimentos en servicio durante muchos años. 1.5.1. FATIGA Cuando las continuas aplicaciones de las cargas producen tensiones que no exceden del 50% del módulo de rotura (coeficiente de seguridad igual o mayor a 2) el hormigón soportará un número ilimitado de tales tensiones sin que ocurran fallas por fatiga. Cuando las tensiones producidas exceden el 50% del módulo de rotura (coeficiente de seguridad comprendido entre 1 y 2) queda limitado el número de repeticiones de las tensiones para que el hormigón no experimente fallas por fatiga. Este número limite o permitido de repeticiones de las tensiones (cargas) puede determinarse mediante el uso de curvas de fatiga. Como la capacidad estructural del pavimento está medida por el número de cargas por eje que puede soportar sin fallas, la capacidad consumida para cualquier edad considerada, es la suma de la fatiga consumida por cada grupo de cargas por eje. Si un grupo de cargas 18
  • 19. Departamento de Transporte consume por ejemplo el 60% de la resistencia a la fatiga, queda un 40% de capacidad estructural del pavimento para ser consumida por otras cargas. 1.5.2. MÉTODO PARA EL DIMENSIONAMIENTO Con el propósito de facilitar los cálculos, ya sea para efectuar un análisis de las tensiones a que estará sometido un pavimento de hormigón, o para establecer las dimensiones de la sección transversal para resistir las cargas previstas se ha preparado el grafico...que proporcional el espesor de las losas en función de las cargas por eje simple, del módulo “k” de reacción de la subrasante y de la tensión admisible del hormigón a la flexión. Para poder establecer el efecto de las cargas por eje tandem y compararlas con las de eje simple se utilizan gráficos. En los siguientes ejemplos se ilustra sobre la aplicación de los gráficos tanto para el dimensionamiento como el análisis de pavimentos. Ejemplo 1: se quiere proyectar un pavimento del sistema local y se estima que la carga máxima por eje simple de 6000 kg es la frecuente. Se sabe, que el hormigón dosificado con los materiales de utilización local tiene un módulo de rotura s’f=45 kg/cm2 y que la subrasante está constituida por un suelo arcilloso, que una vez compactado, tiene un módulo de reacción k=2,8 kg/cm3. Para la carga estimada (no debe considerarse ningún factor de seguridad de carga) se encuentra en el gráfico correspondiente el espesor de 14 cm, para una tensión admisible de 0,5x45kg/cm2=22,5kg/cm2. Ejemplo2: Estudiar diseños equivalentes para el pavimento de una calle de tránsito general con cargas pesadas y frecuentes, de acuerdo con los datos que se consignan a continuación: • Tránsito: el detallado en el cuadro siguiente que consigna las cargas más pesadas, sobre ejes simples o tandem y su frecuencia, en las columnas 1 y 3. • Módulo de rotura del hormigón: s’f =45 o 50 kg/cm2 de acuerdo a los materiales de la dosificación adoptada. El 50% de estos valores son las tensiones admisibles para una reiteración ilimitada de las cargas. 19
  • 20. Departamento de Transporte • Módulo de reacción de la subrasante: k=2,8kg/cm3 constituida por suelos finos susceptibles de experimentar “bombeo”. Por este motivo, como las cargas pesadas son frecuentes, debe intercalarse una subbase entre la losa y la subrasante, para la que se adopta un espesor de 10cm, constituida por materiales granulares (k=3,6kg/cm3) o por suelo-cemento (k=8,4kg/cm3) Para establecer en cada caso si los espesores adoptados son adecuados para soportar las cargas previstas del tránsito se procede a utilizar los ábaco del método (ver filminas de explicación del TP). Siendo el consumo de capacidad inferior al 100% los diseños estudiados son adecuados para soportar las cargas previstas del tránsito. Se adoptará el diseño que resulte más económico. 20
  • 21. Departamento de Transporte 4. BIBLIOGRAFÍA Diseño de espesores de pavimentos flexibles para pavimentación urbana, Ing. Jorge M. Lockhart. Comisión permanente del asfalto. Buenos Aires. 1970. Pavimentos urbanos de Hormigón de Cemento Pórtland. Instituto del Cemento Portland Argentino. Apuntes de materia Construcción de Carreteras. Universidad de Buenos Aires. Profesores Ings. Rodó, Juan Manuel Campana y Ana María Lima. 21