domingo, 31 de agosto de 2008

DISEÑO SEGUN NORMATIVA ESPAÑOLA (PARTE I)

5.2 Factores de diseño

El tránsito y la subrasante son dos factores fundamentales que afectan el comportamiento de los pavimentos, y todos los métodos modernos de diseño los califican mediante patrones similares que, en esencia, miden respectivamente el tránsito pesado que ha de resistir el pavimento y la capacidad de soporte de la subrasante. Se examina también breve-

mente el factor climatológico, que en España tiene un carácter secundario.

5.2.1 El factor tránsito pesado

La Instrucción da las reglas sobre el periodo y el carril de diseño, estableciendo finalmente unas categorías de tránsito pesado para el diseño de los pavimentos.

a) periodo de servicio

Los pavimentos se proyectan para el tránsito previsto durante un cieno periodo de servicio, concepto teórico difícil de definir exactamente. Puede decirse que es el periodo durante el cual se espera que los fallos producidos por el tránsito en el pavimento que se proyecta no alcancen un grado incompatible con la comodidad del usuario. Dicho de otra manera, se supone que durante el periodo de servicio no será necesario un refuerzo de cierta consideración, es decir, más allá de los supuestos de la conservación ordinaria o, como mucho, de una rehabilitación.

Mientras que para los pavimentos flexibles y semirrigidos se ha considerado un periodo de diseño de 20 años, en los pavimentos rígidos es en cambio de 30 años. En este último caso se trata de un plazo mínimo, dada la gran durabilidad de este tipo de pavimentos y la ínfima repercusión que tendría un plazo menor en el espesor de los mismos (a lo sumo un par de centímetros de concreto).

b) Carril de diseño

En general el espesor del pavimento es uniforme aun cuando no lo sea la solicitación del tránsito a lo ancho de la calzada. Como carril de diseño de adopta aquél por el que circula el mayor número de vehículos pesados, que son los determinantes en el diseño del pavimento. Cuando hay dos o más carriles por sentido, existe la posibilidad de estudiar por separado carriles y de llegar a una sección transversal con capas del pavimento de espesor variable linealmente.

c) Vehículos pesados

Para efectos de diseño, sólo se consideran los vehículos pesados. La estructura del pavimento es función de la intensidad media diaria de los vehículos pesados (IMDp) que se

prevé para el carril de diseño en el año de puesta en servicio. La IMDp inicial ha de estimarse a partir de los aforos existentes y de los datos disponibles para prever su evolución, especialmente del tránsito inducido y generado después de la puesta en servicio, que puede cambiar la categoría de tránsito pesado.

d) Categorías de tráfico

Estimada la intensidad media diaria de vehículos pesados lMDp en el carril y periodo de diseño, se establecen 5 categorías de tránsito pesado, definiendo unos intervalos que suponen un saldo significativo pero pequeño, en el espesor de pavimento necesario (2-3 cm para pavimentos de concreto).

TABLA16. Categorías de tránsito pesado (instrucción española).

Los pavimentos de autopistas y autopistas han de proyectarse como mínimo para la categorja Ti, es decir que la lMDp inicial mínima considerada para estas vías es de 800 vehiculos pesados en cada sentido.

Se considera también la posibilidad de adoptar una categoría de tránsito pesado inmediatamente superior (en las inferiores Tú) cuando se está cerca del limite superior de la

categoría o donde se justifique que los ejes de los vehículos pesados estén especialmente sobrecargados. Desde 1g83 se vienen realizando en España aforos de pesaje con báscula dinámica portátil para conocer la distribución de cargas por eje.

Por último, en las vías con dos o más carriles de circulación por sentido, la categoría de tránsito pesado de los carriles que no sean el exterior no puede ser inferior en más de una a la del carril exterior. Esta cláusula es particularmente conservadora en pavimentos con 3 ó más carriles de circulación.

CATÁLOGOS DE PAVIMENTOS: LA NORMATIVA ESPAÑOLA

Introducción

Como ya se ha mencionado, varios países europeos han desarrollado unos catálogos de estructuras de pavimentos, en los que en lugar de variar de forma continua los espesores en función del tránsito de diseño (como ocurre, al menos en teoría, en el método inglés), este último se divide en una serie de intervalos, a cada uno de los cuales se asigna un espesor fijo de cada una de las capas que componen el pavimento, can independencia del valor del tránsito dentro de dicho intervalo. Esta tendencia se inició en Francia en l971, habiendo sido seguida por España y Alemania en 19g75, y después por otros países

(entre ellos Japón) y algunos estados de USA. Como ejemplo de uno de estos catálogos,

se va a exponer a continuación con detalle el español, del que la versión vigente en la

actualidad está contenida en la Instrucción 6.1 y 2-lC "Secciones de firme" (1989), aprobada por O-M- de 23 de mayo de 1989.

Se recoge en la misma la experiencia de los 14 años transcurridos desde la publicación en lg75 de las anteriores Normas 6.1 y 6.2 1C para firmes flexibles y rígidos respectivamente, en las que por primera vez se adoptó en España un método de diseño en forma de catálogo. Se tiene también en cuenta la evolución del tránsito y de los materiales constitutivos de las distintas unidades de obra. Algunas de ellas de empleo más reciente, como el concreto y el concreto compactado.

En la citada Instrucción se encarece a los ingenieros que concentren su atención en la selección de las subrasantes y secciones estructurales más adecuadas entre las tipificadas en función de las disponibilidades locales de materiales, con independencia del tipo de pavimento. Se unifican los criterios de diseño y se dan directrices para redactar los pliegos de prescripciones técnicas particulares.

La instrucción se aplica a pavimentos de nueva construcción y también, en general, a la reconstrucción total de pavimentos existentes. Para los refuerzos de pavimento sigue en principio vigente la Norma 6.3 1C, actualmente en fase de revisión.

EL MÉTODO INGLÉS PARA EL DISEÑO

Como se ha visto en los numerales anteriores, al aplicar el método AASHTO como el de la PCA se realiza un proceso de cálculo más o menos complicado, que requiere en ambos casos un conocimiento previo de las cargas por eje que van a circular sobre el pavimento. Por otra parte, la determinación del módulo de reacción k de la superficie de apoyo de las losas de concreto supone también una cierta complicación; y en muchos de los parámetros a introducir (sobre todo en método AASHTO), la elección del valor más adecuado es muy subjetiva. Por ello, en varios paises europeos se han desarrollado métodos tendientes a simplificar el diseño, basados en general en la utilización de dos únicas variables: El volumen de vehículos pesados (normalmente el tránsito medio diario en el año de puesta en servicio) y la categoría de subrasante, la cual se caracteriza mediante un solo parámetro (por ejemplo, el índice CBR). Se dan indicaciones muy precisas en cuanto a los espesores de las capas a disponer entre el pavimento de concreto y la subrasante, en casos de ser necesarias, así como sobre las características de los materiales a utilizar. Con ello se pretende facilitar la labor del ingeniero diseñador, de forma que éste pueda concentrarse en otros temas tales como la disponibilidad de materiales y la comparación entre distintas alternativas.

Estos métodos simplificados pueden presentarse en forma de curvas continuas o bien como catálogo de estructuras. Un ejemplo de los primeros es el utilizado actualmente en Gran Bretaña, el cual está recogido én la Department Standard HD 14/87 "Structural Design of New Road Pavements" del Departamento de Transporte. En su redacción se tuvieron en cuenta las experiencias y resultados obtenidos en distintos tramos de ensayo, así como la teoría del cálculo estructural.

El método se basa en varias curvas de diseño, se han representado las correspondientes a pavimentos en masa y con refuerzo continuo. Se incluye también curvas para pavimentos con una capa de rodadura bituminosa y para pavimentos reforzados con juntas, estos últimos prácticamente en desuso. Todas ellas llegan hasta 10.000 vehículos comerciales por sentido y día en el año de apertura al tráfico. En Inglaterra la carga máxima por eje simple es de lo t, lo que hay que tener en cuenta al comparar los espesores con los de otros países. Para los pavimentos de concreto se adopta un periodo de diseño de 40 años, con un crecimiento anual de tránsito del 2%.

En las soluciones rígidas, los espesores obtenidos mediante las curvas son para pavimentos que se extienden al menos 1 m más allá del borde exterior de carril de vehículos pesados, ocupando parte de la berma. De no ser así, hay que aumentar el espesor de las. Se dan también unas curvas de mayoración del tránsito de diseño en caso de tratarse de pavimentos bidireccionales.

En todos los casos, los espesores obtenidos mediante las curvas deben redondearse hasta los primeros milimetros más próximos.

Bajo el pavimento se disponen 15 cm de base de grava-cemento o de concreto pobre (wet lean concrete), la cual se extiende directamente sobre la subrasante si el CBR de la misma es superior a 15. En caso contrario hay que disponer una subbase granular, cuyo espesor es función del CBR de la subrasante.

En general las obras se sacan a concurso dando al contratista 4 opciones de pavimento:

Rígido, rígido compuesto (con base de con refuerzo continuo y lo cm de pavimento bituminoso), flexible compuesto (con base tratada con cemento) y flexible.

sábado, 30 de agosto de 2008

Diseño de pavimentos rigidos segun la PCA

3.2.2 Factores de diseño

Después de la selección previa del tipo de pavimento de concreto, el tipo de base necesaria y el tipo de berma (de concreto o no), el espesor de diseño se determina en función de cuatro factores:

1. Resistencia a flexotracción del concreto (módulo de rotura MR) mediante el ensayo de carga en los tercios medios de la luz.

2. Capacidad de soporte conjunta de la subrasante y de la base (módulo de reacción k)

3. Periodo de diseño, usualmente 20 años, si bien puede ser mayor o menor

4. Tráfico: Pesos, frecuencia y tipos de ejes que el pavimento va a soportar

En lo que se refiere al segundo de ellos, es decir, el módulo de reacción conjunto del apoyo de las losas, se dan unas tablas para la obtención del mismo cuando sobre la subrasante se disponga una subbase granular o bien tratada con cemento.

Se proporcionan también unos criterios para el diseño de pavimentos sobre bases de concreto pobre.

En este método se desarrollan dos procedimientos de cálculo distintos según haya datos o no del número y tipo de ejes pesados. En el caso de que se conozcan los mismos, las cargas por eje se multiplican por un "factor de seguridad de carga" (L.S.F.) que toma los siguientes valores:

L-S-F- = 1,2 Para pavimentos de varios carriles, con tránsito ininterrumpido y elevada intensidad de tránsito pesado.

L-S-F- = 1,1 Para carreteras y calles arteriales con una moderada intensidad de tránsito pesado.

L-S-F- = 1,0 Para carreteras, calles residenciales u otro tipo de calles con poco tránsito pesado.

En casos especiales puede justificarse el uso de un L-S-F- > 1,2, sobre todo cuando se quiere una seguridad más alta de lo normal, a fin de reducir las posibles interrupciones de tránsito los gastos de conservación.

El método de Portland Cement Association (PCA - 1984)

3.2.1 Introducción.

La versión actual del método de la PCA fue publicada en 1984. En la misma se han introducido numerosos cambios con respecto a la anterior, aparecida en 1966. Para ello se han aprovechado los avances en los métodos de análisis de pavimentos, los cuales han permitido estudiar la influencia de una serie de factores que no pudieron ser considerados de forma adecuada en la versión precedente, tales como pavimentos con pasadores en las juntas, bases de concreto pobre, bermas de concreto, deterioro del pavimento debidos a la erosión de la base, vehículos pesados con ejes tridem, etc.

Un aspecto que se destaca en la versión de 1984 es la introducción del criterio de erosión, el cual reconoce que un pavimento (especialmente si está sometido a un tránsito pesado) puede fallar por fenómenos de bombeo o "pumping", erosión de la base y escalonamiento de las juntas, antes que por fatiga debida a excesivas repeticiones de carga.

La filosofía básica del método de la PCA es la de la denominada "Ley de Miner", formulada por dicho investigador en 1945. Cada pavimento tiene una cierta resistencia a la fatiga frente a las tensiones de tipo mecánico provocadas por las distintas cargas. Si el número total de repeticiones de una carga p; que puede soportar el pavimento hasta que se produzca su ruptura es igual a Nf, y el número previsto de repeticiones de la misma es n,, la

citada ley de Miner supone que dicha carga p, consume un porcentaje de la resistencia

total a fatiga del pavimento igual a





El pavimento se encuentra en buenas condiciones frente a la fatiga si, para el conjunto de las diferentes cargas, se verifica que:

Aunque la ley de Miner fue formulada inicialmente para las tensiones de tipo mecánico provocadas por las cargas, la PCA ha adoptado también la misma para evaluar la resistencia frente a la erosión de un pavimento (o, mejor dicho, de la superficie de apoyo de las losas de concreto). De forma similar a lo supuesto en el análisis a fatiga, si un pavimento puede aguantar un cierto número de repeticiones Ne, ; de una determinada carga Pi antes de que se produzca la erosión de dicha superficie de apoyo, el pavimento se encuentra en buenas condiciones frente a la erosión si, para el conjunto de las cargas, se verifica que:

Hay que indicar que, para cada carga p;, el número de repeticiones admisibles frente a la fatiga Nf, i, no tiene por que coincidir con el de las admisibles frente a erosión Ne, y por depender en cada caso de factores diferentes.

Por otra parte, debe mencionarse que si bien el análisis a fatiga del método de la PCA se basa en modelos teóricos haciendo uso del método de los elementos finitos, por la que su utilización no presenta ningún tipo de restricciones. Por el contrario, para el análisis frente a la erosión se ha empleado un modelo de evolución de la misma deducido a partir del comportamiento de una serie de pavimentos de USA, por lo que en principio su aplicación a otros países con circunstancias diferentes, por ejemplo en lo que se refiere agradientes térmicos o cargas de tránsito superiores a las de USA, debería contemplarse con precaución.

Diseño de pavimentos reforzados

Como se señaló anteriormente, en la que se indican los valores del coeficiente J de transmisión de cargas, para los pavimentos en masa y reforzados con juntas puede suponerse el mismo espesor, a igualdad de los restantes factores, puesto que los valores de J recomendados son iguales en ambos casos. Por el contrario, con los pavimentos con refuerzo continuos puede admitirse una reducción de espesores, al ser más pequeños los valores de J.

El refuerzo longitudinal, en el caso de los pavimentos con refuerzo continuo, se calcula de

forma que cumpla simultáneamente tres criterios:

· Separación entre fisuras

· Ancho de las fisuras

· Tensión del trabajo del acero

viernes, 29 de agosto de 2008

Determinación del espesor del pavimento (PARTE IV)

h) Determinación del espesor del pavimento.

Ya definidos los valores de los distintos parámetros, entrando con los mismos en la ecuación general del método AASHTO o bien en la Figura 4 se obtiene el espesor de losa necesario.

Módulo de elasticidad del concreto Ec = 5 x 106 psi (350.000 kg/cm2)

Resistencia media del concreto a flexotracción S,c = 650 psi (45,5 kg/cm2 de resistencia

media, o unos 38 kg/cm2 de resistencia característica)

Coeficiente de transmisión de cargas J = 3,2 (puede corresponder a un pavimento de concreto en masa, con pasadores en las juntas y bermas flexibles)

Coeficiente de drenaje Cd = 1,0 (representativo, p, ej., de un drenaje de calidad mediana,

y un 5% de porcentaje de tiempo en el que el pavimento está expuesto a niveles de humedad próximos a la saturación)

Desviación típica conjunta Sa = 0,2g

Confiabilidad n = 95%

Descenso APSI del índice de servicios: 1,7, deducido a partir de un valor inicial de 4,2 y

un valor final igual a 2,5

Número total W18 de ejes equivalentes de 18.000 libras = 5.100.000

Con los valores anteriores, y siguiendo los pasos indicados en la Figura 4, se obtiene un

espesor de pavimento de lo pulgadas (25 cm).

En el caso de que por disponerse bermas de concreto atados al pavimento, se pudiese disminuir el valor del coeficiente J de transmisión de cargas a 2,75, el espesor de pavimento resultante seria del orden de 9 pulgadas (22,5 cm).

Si, por el contrario, se hubiesen conservado las bermas flexibles pero se hubiesen suprimido los pasadores, y se hubiese adoptado por ello para J un valor igual a 4, el espesor necesario de pavimentos se habría incrementado a 11 pulgadas (27,5 cm).

Determinación del espesor del pavimento (PARTE III)

e) Coeficiente de drenaje Cd

El valor del mismo depende de dos parámetros: La calidad del drenaje, que viene determinada por el tiempo que tarda el agua infiltrada en ser evacuada del pavimento, y el porcentaje de tiempo a lo largo del año durante el cual el pavimento está expuesto a niveles de humedad aproximándose a la saturación. Dicho porcentaje depende de la precipitación media anual y de las condiciones de drenaje, la Guía define cinco calidades de drenaje.

f) Coeficiente de transmisión de cargas J

Este factor se introduce para tener en cuenta la capacidad del pavimento de concreto para transmitir las cargas a través de las discontinuidades (untas o grietas). Su valor depende de varios factores:

El tipo de pavimento (en masa, reforzado con juntas, con armadura continua...). El tipo de berma (de concreto cosido al pavimento o flexible)

La existencia o no de dispositivos de transmisión de cargas (pasadores en los pavimentos con juntas, acero en los armados con refuerzos continuos)

Dentro de cada intervalo de variación se recomienda adoptar los valores más altos cuando menor sea el módulo de reacción de la subrasante k, más elevado el coeficiente de dilatación térmica del concreto y más amplias las variaciones de temperatura. Por el contrario, en los casos de carreteras de poco tráfico, soportando un número reducido de

camiones, puede irse a los valores más bajos de J, puesto que entonces habrá menos pérdida del efecto de engranaje entre los áridos.

g) Módulo de elasticidad Ec del concreto

Se recomienda determinarlo de acuerdo con el procedimiento descrito en la Norma ASTM C469, o en su efecto, correlacionarlo con otras características del material, como puede ser su resistencia a compresión. A este respecto el Código Colombiano de Construcciones Sismoresistentes indica que para cargas instantáneas, el valor del módulo de elasticidad Eo, a 1días puede considerarse.

h) Factor de pérdida de soporte LS

Este parámetro viene a indicar la pérdida de apoyo potencial de las losas debido bien a la

erosionabilidad de la subbase o bien de asentamientos diferenciales de la subrasante; y aunque no aparece de forma explícita en la fórmula de diseño para la obtención del espesor, si interviene de forma directa a través de una reducción del módulo de reacción efectivo G de la superficie en la que se apoyan las losas.

G) Módulo de reacción k de la superficie en la que se apoya el pavimento (o módulo efectivo de la subrasante)

El valor del mismo depende de varios factores:

. El módulo resistente de la subrasante.

. El módulo de subbase.

. El módulo de elasticidad de la subbase.

Para la determinación del módulo de elasticidad de la subbase pueden utilizarse una serie

de correlaciones con otros parámetros:

En el caso de bases o subbases granulares, el índice CBR, el valor R utilizado en California o el resultado del ensayo triaxial de Texas. Se recomienda, no obstante, que el método de elasticidad de una subbase granular no sea más de 4 veces superior al de la subrasante sobre la que se apoya.

En el caso de bases tratadas con cemento, la resistencia a compresión a los 7 días.

En el caso de una base asfáltica, la estabilidad Marshall.

Dado que el valor del módulo resistente de la subrasante puede variar a lo largo del año, sobre todo en el caso de muchas zonas de Estados Unidos con suelos afectados por ciclos de congelamiento - descongelamiento, para determinar el valor del módulo k hay que realizar un proceso iterativo:

Se divide el año en intervalos homogéneos dentro de los cuales el coeficiente de variación del módulo resistente no sea superior a 0,15. En el caso de bases y subbases granulares no hay que olvidar que su módulo de elasticidad puede variar asimismo a lo largo del año.

En el caso de que bajo la subrasante haya un estrato de roca a una profundidad menor de 3 m, el módulo de reacción compuesto obtenido en el paso anterior se corrige utilizan do las curvas.

Se adopta un valor inicial arbitrario para el espesor de la losa.

Determinación del espesor del pavimento (PARTE II)

b) Parámetro ZR

Si se supone que para un determinado conjunto de variables definiendo un (espesores de las capas, características de los materiales que de drenaje...) el tránsito que puede soportar el mismo a lo largo de un determinado do de diseño sigue una ley de distribución normal, con una media Mi y una desviación pica So, mediante la tabla de dicha distribución se puede obtener el valor ZR asociado un nivel de confiabilidad R, de forma que haya una probabilidad igual a 1-R/100 de que tránsito realmente soportado sea inferior al valor N - Z.So. Por ejemplo, para un nivel confiabilidad R del 95%, ZR es igual 1,96; valor que se incrementa a 2,58 si R = 99%.

C) Desviación estándar So

Tal y como se ha indicado en el párrafo anterior, representa la desviación estándar junta que conjuga la desviación estándar de la ley de predicción del tránsito en el de diseño, y con la desviación estándar de la ley de predicción del comportamiento pavimento, es decir, del número de ejes que puede soportar el pavimento hasta que índice de servicio descienda por debajo de un determinado valor Pi.

La Guía AASHTO recomienda adoptar para So valores comprendidos dentro de los siguientes intervalos:

. Pavimentos rígidos: 0,30 - 0,40.

. Pavimentos flexibles: 0,40 - 0,50.

d) Índice de servicio final pt y variación APSI en el índice de servicio:

La selección del índice de servicio final pise debe basar en el índice más bajo que ser tolerado antes de que sea necesario efectuar una rehabilitación, un refuerzo o una construcción. Se sugiere para el mismo un valor de 2,5 o incluso superior para las carreteras de mayor tránsito y de 2,0 para tráficos menos importantes. En cuanto al índice servicio inicial Po, que a su vez interviene para determinar la variación APSI = Po - Pt, éste depende de la calidad de la construcción. En los pavimentos del ensayo AASHTO, Po alcanzó un valor medio de 4,5 en las soluciones rígidas, y de 4,2 en las flexibles.

jueves, 28 de agosto de 2008

Determinación del espesor del pavimento (PARTE I)

En esencia, el procedimiento incluido en la Guía AASHTO determina el espesor D de un pavimento de concreto para que éste pueda soportar el paso de un número W 18 de ejes equivalentes de 18.000 libras (8,2 t) sin que se produzca una disminución en el índice de servicio -PSI súperior a un cierto valor, el cual se calcula a partir de una serie de medidas en el pavimento (regularidad superficial, agrietamiento, baches), y que se ha comprobado que tiene una buena correlación con la calificación subjetiva que dan al mismo los usuaruos.

La fórmula que relaciona las tres variables anteriores depende de:

W 18: Número previsto de ejes equivalentes de 18.000 libras (18 kips), a lo largo del periodo de diseño.

Zr : Valor de la desviación normal estándar asociado al nivel de confiabilidad con el que se desea diseñar el pavimento

So: Desviación estándar que combina por una parte la desviación estándar media de los errores de predicción del tránsito durante el periodo de diseño, y por otra la desviación estándar de los errores en la predicción del comportamiento del pavimento (expresado en ejes equivalentes de 18 kips) al alcanzar un determinado índice de servicio terminal

D: Espesor del pavimento de concreto (en pulgadas)

APSI: Diferencia entre los índices de servicio inicial y final

Pt: Índice de servicio final

Sc: Resistencia media del concreto (en psi, libras por pulgada cuadrada) a flexotracción a los 28 días (método de carga en los tercios de la luz)

Cd: Coeficiente de drenaje

J: Coeficiente de transmisión de cargas en las juntas

Ec: Módulo de elasticidad del concreto, en psi

K: Módulo de reacción o de reacción de la subrasante en pci (libras por pulgada cúbica) de la superficie (base, subbase o subrasante) en la que se apoya el pavimento de concreto.

En lo que se refiere a dichas variables, pueden hacerse sobre las mismas las siguientes consideraciones.

a) W18 (ejes simples equivalentes de 18 kips) a lo largo del periodo de diseño

El método AASHTO requiere la transformación a ejes simples equivalentes a 18 kips de los ejes de diferentes pesos que circularán sobre el pavimento a lo largo del periodo de diseño. Para ello, en la Guía se han incluido una serie de tablas con factores de conversión, las cuales dependen de varios parámetros: Clase de pavimento (flexible o rígido), tipo de ejes (simple, tándem, tridem), índice de servicio final y, en el caso de pavimentos rígidos, espesor del pavimento. Para estos últimos se han preparado nueve tablas, combinando cada uno de los tres tipos de ejes con tres valores del índice de servicio final:

2,0, 2,5 y 3,0. La Tabla 1 es un ejemplo de las mismas, correspondiente a la combinación: Eje simple e índice de servicio final igual a 2,5.

Si bien el exponente puede oscilar entre valores cercanos a 4: 3'8, 45...

En lo que se refiere al periodo de diseño, se indica que en general éste debe ser superior a 20 años, a fin de poder evaluar las distintas alternativas a largo plazo. Se recomienda incluso que el periodo de análisis incluya al menos una rehabilitación. Según el tipo de carretera, se sugieren los períodos de diseño indicados en la Tabla 2.

Tipo de carretera Periodo de diseño

(años)

Urbana de tránsito elevado 30 - 50

Interurbana de tránsito elevado 20 - 50

Pavimentada de baja intensidad de tránsito 15 - 25

De baja intensidad de tránsito pavimentación con grava 10 - 20

TABLA 2. Períodos de diseño a adoptar en función del tipo de carretera


El tránsito a tener en cuenta es el que utiliza el carril de diseño. Se admite que en general, en cada dirección circula el 50% del tránsito total (aunque en ocasiones puede variar entre el 30% y el 70%) y que, dependiendo del número de carriles en cada dirección, puede suponerse que sobre el carril de diseño circulan los porcentajes del tránsito en dicha dirección que figuran en la Tabla 3.N° de carriles en cada Porcentaje de ejes simples equivalentes de 18 kips en dirección el carril de diseño

1 l00

2 80 – l00

3 60 - 80

4 50 - 75

5

TABLA 3. Distribución del tránsito en función del número de carriles

MÉTODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS DE CONCRETO (1 Método AASHTO)

Este método está desarrollado en la publicación "AASHTO Guide for Design of Pavement Structures 1986" (Guía AASHTO para el diseño de Estructuras de Pavimentos 1986).

Existe una nueva versión de la misma, aparecida en 1993, pero que en lo que se refiere al diseño de pavimentos de concreto no introduce ninguna modificación respecto a la edificación previa. Dicha guía, que incluye procedimiento para el diseño tanto de pavimentos rígidos como flexibles, se basa en los resultados del conocido ensayo AASHO. La actual edición de la Guía se la cuarta versión de la misma, tras las aparecidas en 1961 y 1972 (de la que en 1981 se publicó una revisión de la parte correspondiente a pavimentos de concreto) y la ya mencionada de 1986. Incorpora una serie de parámetros (drenaje, existencia de bermas de concreto, erosionabilidad de la base...) que pueden tener una gran importancia en la vida útil del pavimento.

EL APOYO DE LAS LOSAS Y EL PROBLEMA DEL ESCALONAMIENTO

Los métodos teóricos utilizados para el análisis de los pavimentos rígidos suelen suponer que las losas se hallan apoyadas en toda su extensión sobre una superficie continua y uniforme. Este apoyo se traduce en un reparto muy grande de las cargas que circulan sobre el pavimento, de forma que las tensiones que originan dichas cargas son muy reducidas en comparación con las que se obtendrían si se considerara un soporte parcial de las losas.

Si embargo, en la práctica estas condiciones de soporte continuo de la cara inferior de las losas se dan en pocas ocasiones. Debido al fenómeno de alabeo originado por los gradientes térmicos y de humedad, durante el transcurso del día, es limitado el periodo en el que las losas se encuentran en lo que se denomina "estado plano", siendo mucho más frecuente que se hallen apoyadas en el centro y con los bordes levantados (cóncava), o por el contrario, aioyadas en los bordes y con el centro levantado (convexa).

No obstante, en el caso de que las superficies de apoyo se encuentren en buen estado, al paso de una carga de tránsito se produce una variación de las condiciones de apoyo de la losa, de forma que, al menos en las proximidades del punto de aplicación de dichas cargas, se restablece la sustentación continua, con la consiguiente disminución de tensiones.

Si, por el contrario, la superficie de apoyo de las losas se encuentra en mal estado, condepresiones o protuberancias de cierta importancia, las condiciones de sustentación continua de las losas no se podrán restablecer, y las tensiones y deflexiones que se producen aumentan notablemente (en algunos casos más del 100%), pudiendo llegar a super arampliamente a las previstas para el diseño del pavimento con la hipótesis de apoyo continuo.

Otro factor que hay que tener en cuenta respecto a un correcto funcionamiento estructural de un pavimento de concreto proviene del hecho de no estar formado por una placa de longitud indefinida, sino que se halla dividido en un conjunto de losas por medio de las juntas. Al acercarse una rueda a uno de los bordes transversales de la losa sobre la que está circulando, se originan tensiones y deflexiones no sólo en la losa directamente cargada, sino en la adyacente, si existe un engranaje entre ambas, a través de los pasadores o de las superficies de rotura del pavimento en la junta entre las dos losas. Este engranaje influye de forma notable en el comportamiento estructural del pavimento, disminuyendo las tensiones y deflexiones en la losa directamente solicitada por la rueda mediante una transferencia de carga a la losa adyacente.

Cuando la junta no tiene pasadores, la eficacia de este mecanismo de transferencia de carga depende de varios factores, siendo el más importante la abertura de la junta, que si

es excesiva llega a anular dicha transferencia.

La forma tradicional de asegurar por muchos años la transmisión de cargas en las juntas y evitar el escalonamiento es mediante la disposición de pasadores. Por otro lado del comportamiento de numerosos vías en servicio se ha llegado a la conclusión de que con tráficos muy pesados los pasadores son indispensables. No es de extrañar, por ello, que se hayan desarrollado dispositivos acoplables a los equipos de formaletas deslizantes que

permiten la inserción automática de pasadores, con lo que se consigue realizar esta operación sin que las máquinas tengan que detenerse y sin alterar la regularidad superficial.

Una combinación de los factores distorsionantes del comportamiento estructural del pavimento anteriormente mencionados, la falta de apoyo de las losas y la deficiente transferencia de cargas, es la que origina el defecto más frecuentemente observado en los pavimentos de concreto sin pasadores sometidos a tráficos elevados: El escalonamiento de las losas. Supóngase un pavimento en el que por una serie de causas el agua se haya acumulado debajo de las losas, y que debido a la existencia de gradientes térmicos o de humedad, las losas se hallen en posición convexa, al avanzar hacia una junta, harán deflectar la losa cargada, desplazando el agua acumulada hacia la otra losa, con una velocidad relativamente lenta que no permite el arrastre de los finos que puedan encontrarse debajo del pavimento. Si la transferencia de cargas entre las dos losas no es muy eficiente, al pasar la rueda a la losa siguiente se producirá un descenso brusco de esta última, desplazando el agua hacia la losa anterior a una velocidad que, dependiendo de la magnitud de la carga y de la brusquedad del choque, puede ser suficiente para provocar el arrastre de los finos. Esta acción se ve incrementada por el levantamiento y la succión de la losa anterior al dejar de ser pisada por la rueda. Los finos desplazados no pueden retornar después a su posición primitiva por la poca velocidad del agua en sentido contrario, según se ha indicado, y por ello se termina creando debajo de la primera losa un cordón de finos que es el causante del escalonamiento o desnivelación permanente.

Por tanto, para que se produzca el escalonamiento hace falta la presencia simultánea de los siguientes factores:

· Agua bajo de las losas, que en general procede de las juntas no selladas o mal selladas, de los bordes longitudinales del pavimento o de las bermas.

· Finos debajo de las losas, procedentes de la erosión de la base o de la berma o que han ascendido de las capas inferiores por bombeo.

· Elevado tránsito pesado, que provoque deflexiones de intensidad y frecuencia suficientes para originar una eventual erosión, en las condiciones de transferencia de carga en las juntas sin pasadores. De hecho el escalonamiento es un fenómeno exclusivo de los pavimentos sometidos a tránsitos medios – altos.

Las principales fuentes de finos bajo las losas son la base y la berma sobre todo cuando se utilizan en los mismos materiales granulares sin tratar, o con un insuficiente contenido de conglomerantes si están estabilizados. Se ha comprobado que en lo que se refiere a la resistencia a la erosión de los materiales estabilizados, existe un umbral critico de dicho contenido, por debajo del cual la erosionabilidad aumenta muy notablemente, mientras que por encima del mismo las diferencias son poco apreciables.

De todo lo anterior se deduce que el escalonamiento de las losas se traduce, no sólo en una disminución de la comodidad de la rodadura (tanto más elevada dicha disminución cuánto más rígidas son las suspensiones de los vehículos, lo que explica que en. Estados Unidos sean admisibles mayores escalonamientos que en Europa), sino también en una distorsión de las condiciones de apoyo de dichas losas:

. En la losa anterior, el cordón de finos origina una sustentación discontinua.

. En la losa posterior, se forma una cavidad bajo la losa por erosión y arrastre de finos

Un pavimento de este tipo con un escalonamiento severo suele presentar de forma generalizada fisuras y baches en la berma, en una banda longitudinal próxima al borde exterior del pavimento. Por otra parte, los impactos producidos en las losas por los vehiculos suelen traducirse en la aparición de una grieta transversal a 1 - 1,5 m de la junta, en sentido de avance del tránsito. La falta de apoyo uniforme de las losas puede originar admás un agrietamiento adicional progresivo.

En una calzada de carriles por sentido, si dicho escalonamiento se nota únicamente en el borde exterior, desapareciendo al ir acercándose al centro de la calzada, casi con toda seguridad la causa del mismo está en la berma. Por el contrario, un escalonamiento debido a una base erosionable se causa en todo lo ancho de la junta, si bien puede que sea más acusado junto al borde exterior.

miércoles, 27 de agosto de 2008

MÉTODOS Y VARIABLES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS DE CONCRETO

Debido a su rigidez, los pavimentos de concreto no requieren, al menos desde un punto de vista teórico, apoyarse sobre una subrasante o capa de elevada capacidad de soporte.

Las presiones verticales bajo las losas son muy pequeñas: las máximas no suelen superar los 0,35 kg/cm2 con carga interior de 6,5 t sobre una losa de 20 cm y algo mayores en bordes y esquinas.

Por ello, hasta hace sólo unas décadas el concreto se vertía directamente sobre la subrasante, a menudo arcillosa y sin drenaje. Esta práctica se continúa aún en caminos agrícolas y forestales y otras vías de baja intensidad de tráfico. No obstante, el aumento de las cargas por eje y de la intensidad del tránsito pesado hicieron necesarias en las carreteras con una cierta importancia, la disposición de bases y eventualmente sub base para vitar el escalonamiento de las losas por erosión de su apoyo y formación de huecos bajo las mismas, así como para obtener unas adecuadas condiciones de trabajo. En algunos países de clima frío se comprobó además la necesidad de proteger ciertos suelos susceptibles a la helada de penetración de ésta. En consecuencia, el diseño de un pavimento de concreto para tráficos importantes no debe limitarse únicamente a la determinación de su espesor, sino que también debe abarcar aspectos relativos a las juntas y a los elementos que rodean el concreto bases, sub bases y bermas.

La principal exigencia a la subrasante o, en general, a la capa sobre la que se vacia el concreto del pavimento es que le proporcione, más que una contribución estructural, que suele ser bastante reducida, un apoyo uniforme y estable en el tiempo bajo la acción del tránsito y de los agentes atmosféricos, para lo cual deben emplearse materiales no erosionables o bien un elevada permeabilidad Un aumento importante en la resistencia mecánica de la base o en su espesor suele traducirse en una disminución mucho menor de las tensiones que se originan en las losas de concreto.

Sin embargo, existían métodos que no permitían tener en cuenta una serie de factores de gran influencia en la durabilidad del pavimento: Gradientes térmicos, condiciones de drenaje, erosionabilidad de la base, existencia, o no, de bermas de concreto o de pasadores en las juntas, separación entre estas últimas, etc. Para obviar estas limitaciones empezaron a ajustarse métodos empíricos, basados en el comportamiento de los pavimentos en servicio; entre ellos, el más conocido es el desarrollado a partir de los resultados del ensayo AASHO. Paralelamente, los avances en los métodos de análisis y en los computadores permitieron ir incorporando a los procedimientos de cálculo algunos de los parámetros indicados anteriormente: Por ejemplo, el empleo de bermas de concreto o pasadores. La combinación de ambos sistemas, es decir, la utilización de métodos analíticos y el ajuste de sus resultados mediante observaciones de tramos reales, ha llevado a una serie de paises al desarrollo de catálogos de estructuras de pavimentos o de curvas de diseño; de forma que entrando en ellos con el tránsito de diseño y el tipo de subrasante pueda obtenerse directamente el espesor necesario de la losa de concreto, así como los de las capas inferiores (base, subbase) que sean necesarias disponer.

En consecuencia, no nos vamos a limitar únicamente a los métodos para la determinación del espesor del pavimento de concreto, sino que también se darán indicaciones en cuanto a las características de las juntas, bases y bermas. En los numerales siguientes se hacen algunos comentarios sobre varios métodos de diseño respondiendo a algunas de las filosofías anteriores:

- Basados en el comportamiento de tramos de ensayo: Guía AASHTO (USA)

- Basados en métodos analíticos o semianalíticos: Portland Cement Association (USA)

- Curvas de diseño. Department Standard 14/87 (lnglaterra)

- Catálogos de pavimentos: Francia, Alemania, España

FUNCION Y CARACTERISTICAS DE LAS DIFERENTES CAPAS DEL PAVIMENTO RIGIDO.

De su capacidad soporte depende, en gran parte, el espesor que deberá tener un pavimento, sea este flexible o rígido. Así:


TERRENO DE FUNDACION.

· Si el terreno de fundación es pésimo, debe desecharse el material que lo compone siempre que sea posible, y sustituirse este por un suelo de mejor calidad.

· Si el terreno de fundación es malo, habrá que colocar una sub-base de material seleccionado antes de colocar la base.

· Si el terreno de fundación es regular o bueno, podría prescindirse de la sub-base.

SUB-BASE.

· Sirve de drenaje al pavimento.

· Controlar o eliminar en lo posible, los cambios de volumen de elasticidad y plasticidad perjudiciales que pudiera tener el material de la subrasante.

· Controlar la ascensión capilar del agua proveniente de las capas friáticas cercanas o de otras fuentes, protegiendo así el pavimento contra los hinchamientos que se producen en épocas de helada.

Este hinchamiento es causado por el congelamiento del agua capilar, fenómeno que se observa especialmente en suelos limosos, donde la ascensión del agua capilar es grande.

El material de la sub-base debe ser seleccionado y tener mayor capacidad de soporte que el terreno de fundación compactado. Este material puede ser arena, grava, escoria de altos hornos o residuos de material de cantera.

Si la función principal de la sub-base es de servir de capa de drenaje, el material a emplearse debe ser granular, y la cantidad de material fino ( limo y arcilla) que pase el tamiz No. 200 no será mayor del 8%.

CAPA DE RODAMIENTO.


Su función primordial será proteger la base impermeabilizando la superficie, para evitar así posibles infiltraciones del agua de lluvia que podría saturar total o parcialmente las capas inferiores.

Además evita que se desgaste o se desintegre la base a causa del tránsito de los vehículos.

MEMBRANA DE CURADO.

· Es una membrana de curado de concreto a base de parafina y agua con un pigmento blanco para reflejar el calor producido por los rayos solares.

· Debe estar formulado para retener un mínimo del 95% de la humedad del concreto durante 72 horas para permitirle al cemento una hidratación total , debe cumplir con las especificaciones ASTM C309, tipo C309, tipo 2 clase A, AAHTHO M 148, TIPO 2 clase A, ( SEAL-TIGH-1600 WHITE W.R. MEADOWS, INC ), Fester o Sika.

MATERIAL SELLANTE PARA JUNTAS

El material sellante para juntas transversales y longitudinales deberá ser elástico, resistentes a los efectos de combustibles y aceites automotores.