Esfuerzos Flexibles

Embed Size (px)

Citation preview

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    1/85

    Universidad de Piura

    Ing. Andrs Sotil Chvez, Ph.D.Esfuerzos en Pavimentos Flexibles

    t

    c

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    2/85

    TEORA ELSTICA LINEAL MULTICAPA De la grafica anterior que podemos identificar?

    La carga (llanta)

    Al menos 3 capas (pueden ser mas)

    Dimensin lateral no determinada (infinito)

    Deflexin,

    Deformacin por tensin, tAgrietamiento por fatiga

    Deformacin por compresin, cAhuellamiento

    Para entender el comportamiento de esta estructura se haasumido un comportamiento elstico:

    La estructura descansa en una capa elstica deprofundidad infinita Subrasante

    Todas las capas del pavimento puede describirse con elmodulo de Young, E, y el coeficiente de Poisson,

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    3/85

    TEORA ELSTICA LINEAL MULTICAPA

    Adems, las capas son asumidas como: Homogneas (mismo material)

    Isotrpicas (comportamiento igual sin considerardireccin)

    Las cargas ejercidas por las llantas asumidas como: Carga puntuales

    Cargas circulares con presin uniforme

    Con este tipo de cargas, entonces el estado de esfuerzos

    es axisimtrico, o sea tiene simetra rotacional alrededordel centro de la carga

    Entonces, es mas fcil describir el sistema concoordenadas radiales

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    4/85

    TEORA ELSTICA LINEAL MULTICAPA

    La respuesta de los pavimentos son calculadas de lateora de elasticidad Esfuerzos

    Deformaciones

    Deflexiones

    Las respuestas a mltiples cargas se calculan usando lasuperposicin de esfuerzos de las llantas individuales,siguiendo el Principio de DAlembert.

    Este anlisis es fundamental para el desarrollo de una

    teora mecanicista, aun en crecimiento

    yx

    z

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    5/85

    ANLISIS

    Unidades Esfuerzos en

    psi = lbs / in2 o en kg / cm2 o en kN / m2

    Deformaciones en

    = microstrain = in/in x 10-6 = mm/mm x 10-6 Deflexiones

    mils = in / 1000 o en milmetros, mm

    Tanto para tareas como para evaluaciones, tienen quetener en claro que unidades se estn usando y hacer lasconversiones correspondientes

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    6/85

    DESARROLLO DE CLASE

    Temas Esfuerzos en Pavimentos Flexibles.

    Concepto de Sistemas de Capas.

    Soluciones de 1 y 2 Capas.

    Soluciones Multicapas - Software.

    Objetivo de Clase Entender como se modela el anlisis de pavimentos

    flexibles mediante la teora de capas

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    7/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA

    z = esfuerzo normal vertical r = esfuerzo normal radial

    = esfuerzo normal tangencial

    zr = esfuerzo cortante horizontal

    en direccin radial (6 en total)

    z = deformacin normal vertical

    r = deformacin normal radial = deformacin normal tangencial

    zr = deformacin cortante horizontal

    en direccin radial (6 en total)

    P

    z

    sz

    sr

    sq

    q

    r

    w

    u

    tzr

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    8/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA

    Boussinesq simplific en1885 el problema y calculel esfuerzo vertical zcomo se indica en la

    ecuacin

    sq

    P

    z

    sz

    srq

    r

    w

    u

    tzr

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    9/85

    BOUSSINESQ El anlisis se simplifica usando

    tablas como la mostrada

    IB = Factor de Influencia Boussinesq

    Bz I

    z

    P

    z

    rz

    Pp

    2

    2

    5

    2

    212

    3

    s

    Donde estn Ey ?

    Solucin esindependiente

    EC. BOUSSINESQ

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    10/85

    EJEMPLO Considerar una carga puntual P = 5kN. Calcular el

    aumento del esfuerzo vertical a profundidades z = 0,2m, 4m, 6m, 10m, and 20m. Asumir r = 5m

    BI

    z

    P

    zrz

    Pp

    25.222/12

    3

    r (m) z (m) r/z IB p = (P/z2)IB

    5 0 0 0 kN/m2

    5 2 2.50 0.0034 0.0043

    5 4 1.25 0.0424 0.0133

    5 6 0.83 0.1295 0.01805 10 0.50 0.2733 0.0137

    5 20 0.25 0.4103 0.0051

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    11/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA

    La solucin presentada solo provee el esfuerzo vertical,mas no el tangencial ni el radial.

    Estos esfuerzos son importantes para el anlisis

    continuo de los pavimentos, en especial para analizar lainfluencia de una o mas llantas

    Taylor en 1963 adapt la ecuacin de Boussinesq paraque tenga la siguiente forma:

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    12/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA

    2/5223

    3

    2 zr

    zPz

    s

    2222

    2/5

    22

    2213

    2 zrzzrzr

    zrPr

    s

    2222/322

    121

    2 rzzrzr

    zP

    sq

    2/5222

    3

    2 zr

    zrPzr

    t (-) compresin

    (+) tensin

    EC. TAYLOR

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    13/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA

    De la Ley de Hooke E

    rz

    z

    qsss

    E

    zr

    r

    qsss

    E

    zr sss

    qq

    GE

    zrzr

    zr

    tt

    )1(2

    DondeG = Modulo de Corte

    Estas cuatro ecuaciones

    se pueden reescribir demanera matricial

    EC. HOOKE

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    14/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA

    Esfuerzos (Taylor) vs. Deformaciones (Hooke)

    Al reemplazar la matriz con los valores en base a P, r, z, se pueden calcular las deflexiones vertical (w) yhorizontal (u).

    zr

    r

    z

    zr

    r

    z

    E

    t

    s

    s

    s

    qq

    2

    21000

    01

    01

    01

    211

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    15/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA

    Deflexiones Verticales (w) y Horizontales (u)

    sq

    P

    z

    sz

    srq

    r

    w

    u

    tzr

    For z=0

    2/12222/3222 1212

    zrzrzE

    Pw

    2/32222/122

    21

    1

    12

    211

    zrzrzrzEr

    Pu

    rEP

    w

    21

    EC. TAYLOR

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    16/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA

    Ejemplo Aplicativo Carga Puntual

    Calcular los esfuerzos y deformaciones resultantes deuna carga puntual de 40 kN aplicada a un espacioelstico semi-infinito.

    El punto de inters es a una profundidad de 10 cm y aun distancia radial de 20 cm.

    Usar como datos E = 140 MPa y = 0.4

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    17/85

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    18/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA

    Carga Circular aplicandoesfuerzo vertical uniforme

    Las formulas mostradasanteriormente (derecha) sonintegradas con respecto a r y z

    Por ejemplo, cuando r = 0 (debajo del centro de lallanta con carga circular), se pueden dar las siguientesexpresiones de esfuerzos y de deflexin vertical

    2/522

    33

    2 zr

    zPz

    s

    22222/522

    2213

    2 zrzzrzr

    zrPr

    s

    222

    2/3

    22

    121

    2 rzzrzr

    zP

    sq

    2/5222

    3

    2 zr

    zrPzr

    t

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    19/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA

    Carga Circular aplicando esfuerzo vertical uniformepara r = 0

    donde p = presin de la carga

    a = radio de la llanta

    E, = prop. elsticas

    pa

    Ew

    za

    z

    za

    zp

    za

    zp

    zr

    r

    z

    2

    2/322

    3

    22

    2/322

    3

    12

    0

    1221

    2

    1

    t

    ss

    s

    q

    EC. TIMOSHENKO YGOODIER (1987)

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    20/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA

    Ejemplo Aplicativo Carga Circular

    Calcular los esfuerzos de una llanta inflada a 600 kPa,que sobrelleva una carga de 30 kN descansando en un

    espacio elstico semi-infinito.La ubicacin deseada es a una profundidad de 0.1 m ydebajo del centro de la carga (r=0),

    Tambin calcule la deflexin superficial (cuando z = 0)

    debajo de la llantaDatos

    E = 140 MPa = 0.40

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    21/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA

    Ejemplo Aplicativo Carga Circular

    Los esfuerzos se calculan sustituyendo los datos en la ecuacin deTimoshenko y Goodier

    La deflexin vertical superficial se calcula del mismo grupo deecuaciones de Timoshenko y Goodier y resulta

    El radio de la huella de la llanta se asume circular y se calcula

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    22/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA

    Sin embargo, esta solucin es para un caso especial.

    Foster y Ahlvin (1954) presentaron una solucin paracargas circulares cuando se asume que = 0.50

    Con su solucin grafica, se puede calcular: Esfuerzo normal vertical

    Esfuerzo normal radial

    Esfuerzo normal tangencial

    Esfuerzo cortante

    Deformacin vertical elstica

    s

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    23/85

    Esfuerzos verticales debido a cargas circulares (Foster y Ahlvin, 1954)

    Nmeros en lascurvas indican r/a

    z/a

    (%)100xq

    zs

    Donde:

    z = profundidad

    r = distancia radial de intersa = radio de carga

    q = presin o carga

    s

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    24/85

    Esfuerzos radiales debido a cargas circulares (Foster y Ahlvin, 1954)

    Nmeros en las

    curvas indican r/a

    z/a

    (%)100xq

    rs

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    25/85

    Esfuerzos tangenciales debido a cargas circulares (Foster y Ahlvin, 1954)

    Nmeros en las

    curvas indican r/az/a

    (%)100x

    q

    qs

    F

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    26/85

    Deflexiones verticales debido a cargas circulares (Foster y Ahlvin, 1954)

    Nmeros en las

    curvas indican r/a

    z/a

    FE

    aqw

    F

    t

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    27/85

    Esfuerzos de Corte debido a cargas circulares (Foster y Ahlvin, 1954)

    Nmeros en las curvasindican r/a

    z/a

    (%)100xq

    rzt

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    28/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA Para 1962, Ahlvin y Ulery pudieron proveer una

    solucin mas extensa y completa, en la que elcoeficiente de Poisson, , es una variable

    Yoder y Witczak (1975) lo incluyeron en su libroPrinciples of Pavement Design del cual se extraen lastablas y ecuaciones en las siguientes diapositivas

    VER ARCHIVO PDFADJUNTO

    DIAPOSITIVA 28

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    29/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA Los pavimentos flexibles en general no son

    homogneos como lo sugieren/asumen las solucionesde Ahlvin y Ulery

    Sin embargo estos valores si son aplicables para losesfuerzos, deformaciones y deflexiones en lasubrasante en casos especiales como en una estructuratpica (capa rodadura, base granular, subbase) cuando

    la capa asfltica es delgada (< a 2)

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    30/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA En estos casos, se asume que la deflexin de la

    estructura en realidad es enteramente de la subrasante

    Grficamente,

    Entonces para aplicaciones de la terica elstica parauna capa aplicada al anlisis de pavimentos flexibles

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    31/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA Se tiene el siguiente caso y se pide calcular:

    Deflexin en el punto m

    zy r en el punto 0

    1, 2, 3y max en el punto p

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    32/85

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    33/85

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    34/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA UNA CAPA En trminos efectivos para este problema no nos ha

    interesado la primera y segunda capa.

    Se tomo el peor caso, en el que esas dos capas nofuncionan, solo se doblan y la estructura en realidad es

    homognea

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    35/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA DOS CAPAS Los pavimentos flexibles estn compuestos de capas de

    tal manera que el modulo de elasticidad, E, disminuyecon la profundidad.

    El efecto deseado es el reducir los esfuerzos y

    deflexiones en la subrasante calculados asumiendoque es una estructura homognea.

    Entonces, volviendo aeste ejemplo, ahora si

    tenemos que considerarE1, h1, 1, E2, h2y 2 Primero solo dos capas,

    la superior (1) y la

    subrasante

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    36/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA DOS CAPAS

    Burmister propuso en 1943, 1945y 1958 soluciones al problema deun sistema de dos capas como elque se muestra en la figura adjunta

    Burmister asumi capas homogneas, isotrpicas y elsticas.Asimismo, la capa superficial (capa asfltica) es infinitalateralmente pero con profundidad h, mientras que la segunda

    capa (subrasante) es infinita a los costados y en profundidad

    Las condiciones de limite y continuidad requieren que las capasestn en continuo contacto y que la capa superficial no tengaesfuerzos de corte ni normales mas all del punto de carga.Adems 1 = 2 = 0.5

    E1

    E2

    1

    h

    2

    p a

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    37/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA DOS CAPAS Curvas de Influencia en un sistema bicapa, Burmister 1958

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    38/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA DOS CAPAS Cuando se asume que el pavimento es homogneo, E1 = E2. Esto se ve en

    la grafica anterior en la lnea inferior.

    Al incorporar al sistema una capa con una resistencia 100 veces a laexistente, el esfuerzo vertical se ve reducido en la interfase entre la capa1 y la capa 2 de un 70% a un 10%

    La profundidad tambinjuega un papel importante.Muy profundo, el efectodel refuerzo se pierde, asque no tiene sentido el

    hacer capas muy gruesasporque ya no tiene elmismo efecto

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    39/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA DOS CAPAS La solucin propuesta por Burmister en forma de

    ecuacin es la siguiente

    Donde w = deflexin superficial total

    p = presin de la carga circular

    a = radio de la carga

    E2 = modulo de Elasticidad de la ultima capa (subrasante)

    Fw = factor sin dimensin que depende de a/h y E2/E1 h = espesor de la primera capa

    E1 = modulo de Elasticidad de la primera capa

    1

    2

    2

    51

    E

    E,

    h

    aF

    E

    ap.w w

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    40/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA DOS CAPAS

    1

    2

    2

    51

    E

    E,

    h

    aF

    E

    ap.w w

    EC. BURMISTER (1943)

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    41/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA DOS CAPAS Calcular la deflexin superficial debajo de la llanta

    (a = 6 in, p = 80 psi) para un pavimento de 12 quetiene un modulo de 50,000 psi y un modulo desubrasante igual a 10,000 psi usando la teora bicapa

    Solucion: z = 12 a = 6 p = 80 psi

    E1 = 50,000 psi E2 = 10,000 psi

    a/h = 6/12 = 0.5 E2 / E1 = 1/5

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    42/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA DOS CAPAS

    1

    2

    2

    51

    E

    E,

    h

    aF

    E

    ap.w w

    EC. BURMISTER (1943)

    F = 0.42

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    43/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA DOS CAPAS Calcular la deflexin superficial debajo de la llanta

    (a = 6 in, p = 80 psi) para un pavimento de 12 quetiene un modulo de 50,000 psi y un modulo desubrasante igual a 10,000 psi usando la teora bicapa

    Solucion:

    a = 6 p = 80 psi E2 = 10,000 psi

    w = 0.030 in

    )42.0(5.1

    2E

    apw

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    44/85

    SOLUCIN ELSTICA PARA DOS CAPAS Huang (1959) continuo con el trabajo de Burmister y

    propuso grficas para la solucin de la deflexininterfase (capa 1 / capa 2)

    Al igual que Burmister, asumi el coeficiente dePoisson igual a 0.5 para ambas capas y la ecuacinresultante es igual a:

    Huang propone las graficas para F para ciertos E1/E2.En caso de no haber la proporcin deseada, se tieneque interpolar

    F

    E

    aps

    2

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    45/85

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    46/85

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    47/85

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    48/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA Fox en 1948 desarroll soluciones para sistemas bicapa

    usando nomogramasAcum y Fox en 1951 desarrollaron un extenso resumen

    tabular de esfuerzos normales y radiales para un

    sistema tricapaJones y Peattie de manera separada publicaron en 1962

    tablas ms extensas

    El advenimiento de las computadoras hizo que tales

    soluciones extensas y con mltiples tablas onomogramas se volviera obsoleto

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    49/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA Programas de computadora disponibles en el mercado

    DAMA (Chevron): Hawng y Witczak (1979), Universityof Maryland

    ELSYM5: Kooperman, Tiller y Tseng (1986), FederalHighway Administration

    KENLAYER: Huang (1993), Pavement Analysis andDesign, 2nd Edition

    EVERSTRESS: Everseries Pavement Analysis Programs(1999), Washington State Department of Transportation

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    50/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA Los programas

    mencionados tienencaractersticas yrequerimientos de datossimilares

    Normalmente puedenanalizar hasta 20 capas yuna subrasante infinita

    Los programas aceptanmltiples llantascirculares y calculan losesfuerzos en cualquier

    punto del sistema

    E1 1h1

    E2

    2

    p a

    Ei ih

    i

    hn

    h2

    r

    z E

    n

    n

    z

    y

    x

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    51/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA Para esta clase nos vamos a apoyar del programa

    KENPAVE

    Para bajarse el programa pueden usar este link

    http://www.webs1.uidaho.edu/ce475/Files/SOFTWARE%20Files/Software.htm

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    52/85

    CONCEPTOS MECANISTICOS Lo presentado anteriormente asume lo siguiente:

    La capa tiene uncomportamiento lineal

    La capa consiste en unmaterial no viscoso

    LINEAL

    NO-LINEAL

    No viscoso

    ModelosviscososSimples

    III

    (strai

    n)

    Tiempo de Carga Liberar esfuerzo

    t (Tiempo)

    La grafica muestra que ladeformacin, , se generaautomticamente para un

    elemento no viscoso, mientrasque para los viscosos,dependiendo del modelousado, se demora un poco maso menos en completar ladeformacin

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    53/85

    CONCEPTOS MECANISTICOS Lo presentado anteriormente asume lo siguiente:

    La capa tiene un comportamiento lineal

    La capa consiste en un material no viscoso

    La capa tiene un comportamiento elstico

    Elstico

    Plstico

    (s

    train)

    Tiempo de Carga Liberar esfuerzo t (Tiempo)

    Elstico: toda la deformacinse recuperaPlstico: hay algunadeformacin que se mantienedenominada p

    p

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    54/85

    CONCEPTOS MECANISTICOS La capa tiene un comportamiento lineal

    Las capas asflticas (pavimento flexible) tienen un comportamientono lineal, pero cuando los esfuerzos son bajos, la aproximacinlineal puede ser apropiada

    La capa consiste en un material no viscoso

    Las capas asflticas y los suelos muy cohesivos (arcillas) son viscosospero no siguen precisamente uno u otro modelo sino que estos sonaproximaciones.

    Para modelar su comportamiento, se tendr que combinar modelosyvivir con los errores asociados

    La capa tiene un comportamiento elstico En asfaltos, es tal el tiempo necesario para recuperar deformaciones

    que es maspractico considerarlo plstico

    Asfaltos requiere Teora Lineal Viscoelastica

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    55/85

    CONCEPTOS MECANISTICOS Asfaltos requiere Teora Lineal Viscoelastica

    Llegar a esta teora ha sido muy complicado y con la ayuda deprogramas de computadora recin se puede explorar elcomportamiento de los pavimentos, pero aun con la ayuda de

    pruebas de campo (emprico)

    Por eso, el estado del arte en pavimentos se basa en teorasmecanisticas-empiricas.

    Los conceptos que vamos a continuar viendo se basan en laTeora Elstica Lineal Multicapa y es bsico que durante elanlisis tengan en claro las desventajas del mismo.

    OTRAS SOLUCIONES

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    56/85

    OTRAS SOLUCIONES

    Soluciones No-lineales elsticas multicapas

    Como se ver en clases siguientes, los materiales granularesque conforman el pavimento tienen un comportamiento quedepende del esfuerzo aplicado

    Se pueden acomodar estas funciones aplicando un

    algoritmo en el que se pueda asumir un modulo inicial, secalculen esfuerzos, deformaciones y se chequee si el moduloinicial se mantiene.

    Como este no es el caso ya que no es lineal, se recalcula el

    modulo y se itera hasta llegar a una tolerancia determinada

    Base/subbase de grano grueso

    Subrasante de grano fino

    donde qes el esfuerzo total (1+ 2+ 3) en atm (1 Atm = 101.3 kPa) yk1, k2, k3y k4 son constantes empricas por material

    4313kkE ss

    21

    kkE q

    OTRAS SOLUCIONES

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    57/85

    OTRAS SOLUCIONES

    Soluciones No-lineales elsticas multicapas

    0

    50,000

    100,000

    150,000

    200,000

    250,000

    300,000

    350,000

    400,000

    450,000

    0 200 400 600 800 1000

    theta kPa

    E

    kPa

    Inicial

    1 2 i n

    Ejemplo de proceso iterativoModulo Inicial Esfuerzo Deformacin Modulo iSi Modulo i Modulo Inicial

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    58/85

    OTRAS SOLUCIONES

    Soluciones Viscoelsticas

    Primero se calcul todo el pavimento como un sistemaelstico

    Luego, ya se est en la capacidad de analizar las capasgranulares en base a sus propiedades y reaccin a los

    esfuerzos (no-lineal, exponencial) De su clase de materiales, ustedes saben que los asfaltos

    tienen comportamiento viscoelstico (respuesta a esfuerzosdependiente del tiempo), por eso se esta usando esta teora

    para reemplazar el comportamiento lineal en la capa derodadura

    PRINCIPIO DE SUPERPOSICIN DE BOLTZMAN

    OTRAS SOLUCIONES

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    59/85

    OTRAS SOLUCIONES

    Soluciones Viscoelsticas

    Superposicin de Boltzman

    s dtDt

    t

    o

    s

    dtEt

    t

    o

    Donde:(t) es la deformacin en el tiempo tD(t-) es el modulo de retardo o creep compliance de la capa asfltica

    despus de un tiempo (t-)() es el esfuerzo en funcin del tiempo que va desde 0 hasta tCreep compliance es la inversa del modulo E con unidades 1/kPa o 1/psi

    En trminos simples, bajo una carga () la deformacin en el tiempo t esla suma lineal (integral) de los incrementos de deformacin experimentados

    desde que se aplica la carga hasta el tiempo t.

    La ecuacin tambin se puede reescribir en trminos de esfuerzo de lasiguiente forma

    donde E es el modulo derelajacin

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    60/85

    EL FUTURO Eventualmente abandonar los modelos lineales y usar

    los exponenciales y viscoelsticos Sin embargo, mucha experimentacin es necesaria por

    lo variables que son las constantes (la solucin de laintegral tambin incluye constantes)

    Hasta que no se puedan determinar estas constantesde manera terica, se tendr que vivir con mtodosmecansticos y empricos

    4313

    kkE ss

    21

    kkE q

    s

    dtDt

    t

    o

    s

    dtEt

    t

    o

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    61/85

    Universidad de Piura

    Ing. Andrs Sotil Chvez, Ph.D.Esfuerzos en Pavimentos Flexibles

    t

    c

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    62/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA Los programas

    mencionados tienencaractersticas yrequerimientos de datossimilares

    Normalmente puedenanalizar hasta 20 capas yuna subrasante infinita

    Los programas aceptanmltiples llantascirculares y calculan losesfuerzos en cualquier

    punto del sistema

    E1 1h1

    E2

    2

    p a

    Ei ih

    i

    hn

    h2

    r

    z E

    n

    n

    z

    y

    x

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    63/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA Para esta clase nos vamos a apoyar del programa

    KENPAVE

    Para bajarse el programa pueden usar este link

    http://www.webs1.uidaho.edu/ce475/Files/SOFTWARE%20Files/Software.htm

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    64/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA Ejercicio: analizar la siguiente estructura

    Y calcular los esfuerzos, deformaciones y deflexiones en 14puntos a la siguientes profundidades por debajo del centrode la carga circular

    0 2 4 4.001 7 10 10.00113 16 16.001 22 28 28.001 42

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    65/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA La estructura anterior esta sometida a una carga standard

    de un eje simple de 18-kips (18,000 lbs o 80-kN) con presinen las llantas de 85 psi y separacin entre las llantas de 13

    Adems de calcular los esfuerzos en el centro de una llanta,calcular los mismos en las siguientes ubicaciones

    Radio = 4.11 (calculada como 18000 lbs entre 4 llantas)

    13 in

    A B C D E

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    66/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    67/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA Configuracin de Llantas (cargas)

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    68/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA Caracterizacin de los Materiales

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    69/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    70/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

    Despus de hacer CLICK en LAYERINP aparece esta pantalla

    con instrucciones en ingles Se tiene que ir de

    izquierda a derechallenando los datos

    segn se indica Si est en rojo (ej.

    input) se tiene quehacer click en elicono respectivo yllenar la info

    Si esta en azul (ej. default) son valores predeterminados, sepueden dejar ah o cambiarse si se desea

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    71/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

    El icono File pregunta si usan un

    archivo antiguo (Old) o si van aingresar datos nuevos (New)

    Al hacer click enGeneral apareceesta pantalla

    Si esta en rojo esporque se requiereconfirmar. Lo demsson valores

    predeterminados que pueden cambiarse

    Para el ejemplo de laclase, cambiar a NL = 5,NZ = 14 y presionar OK

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    72/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

    Luego se presiona el icono Zcoord

    y aparece la siguiente ventana

    Y se empieza allenar la tabla conla informacinque se les haentregado

    Apretar OK

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    73/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

    Luego se presiona el icono Layer

    y aparece la siguiente ventana

    Y se empieza allenar la tabla conla informacinque se les haentregado

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    74/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

    Se aprieta Moduli

    Y aparecen el numero deperiodos a analizar. Sehace click en Period1

    y se llena la tabla

    Una vez completado, seapreta OK hasta llegar a

    la ventana original

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    75/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

    Se aprieta

    Load

    Y aparecen la siguiente tabla

    Se llena con losdatos provistos

    y se hace doble

    click en la lneapara indicar lospuntos deanlisis

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    76/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

    Se llena la tabla

    adjunta

    Luego se haceclick en OKhasta llegar almen principal

    Y se grabaapretando elbotn Save Asy luego Exit

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    77/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

    Luego de grabado, se regresa al men principal

    Hacer click en KENLAYER

    Asegrate que sea

    tu archivo

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    78/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

    El programa soluciona el problema y luego puedes ver la

    siguiente ventana

    Aqu se pueden ver losresultados deseados

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    79/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

    Para ver como soluciono el problema el programa se hace

    click en LGRAPH

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    80/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

    Se puede imprimir esto de LGRAPH

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    81/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

    Se puede abrir el archivo .TXT con la solucin

    Abrir txt en MS Excel

    ANLISIS DE DAO

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    82/85

    ANLISIS DE DAO Una vez determinado los valores de deformaciones

    verticales (columna 4) y horizontales (columna 7), sepuede calcular los valores limites de dao, tanto paraagrietamiento por fatiga y ahuellamiento

    As, para fatiga se tiene

    Donde: Nf= numero de repeticiones para fatiga

    f1, f2, f3 = factores empricoset = deformacin por tensin

    E1 = modulo de la carpeta asfltica

    ANLISIS DE DAO

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    83/85

    ANLISIS DE DAOY para la deformacion permanente

    Donde: Nd = numero de repeticiones para deformacion

    f4, f5 = factores empricosec = deformacin por compresion (vertical)

    VALORES EMPRICOS

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    84/85

    VALORES EMPRICOS

    Factores Instituto delAsfalto Shell

    f1 0.0796 0.0685

    f2 3.291 5.671

    f3 0.854 2.363

    f4 1.365 x 10-9 6.15 x 10-7

    f5 4.477 4.000

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

  • 7/26/2019 Esfuerzos Flexibles

    85/85

    SOLUCIN ELSTICA MULTICAPA

    Usar KENLAYER para resolver este problema