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Trabajo Práctico Nº 3Conceptos básicos para diseño de pavimentos

Pavimentos flexiblesPavimentos rígidos

268.07 Ingeniería del Transporte – UBA - 2007

OBJETIVOS

Los pavimentos sirven fines estructurales, funcionales y de seguridad.

ESTRUCTURAL: el pavimento sirve a distribuir las cargas bajo las ruedas de los vehículos sobre áreas suficientemente amplias como para evitar tensiones (superiores a su capacidad) en la capa inferior del pavimento.La carga de la rueda sobre la superficie del pavimento se aplica en un área muy reducida, causando grandes tensiones. Sin embargo estas tensiones van disminuyendo con la profundidad: el nivel de tensiones disminuye desde la capa superior a la inferior en las estructuras de pavimentos.

Distribución del peso de la rueda desde el punto de contacto hasta la última capa de suelo.

Fuente: “Trasportation Engineering and Planning” 3*Edition, Papacostas and Prevedouros

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Funcional: la estructura del pavimento está relacionada con los requisitos del usuario de un andar suave y confortable. La calidad de manejo se mide en términos de Indice de ServiciabilidadPresente (PSI), concepto desarrollado por la American Association of StateHighway Officials (AASHTO). PSI se mide principalmente según la rugosidad del terreno referida a los deterioros producidos por el uso y edad de los pavimentos y es uno de los criterios utilizados para la toma de decisiones respecto al mantenimiento, rehabilitación y reconstrucción de pavimentos.Los típicos deterioros de los pavimentos son: fisuras longitudinales y/o transversales, roturas, bacheos y ahuellamientos que afectan la integridad estructural de los pavimentos y el nivel de servicio.

Seguridad: relacionada con el desarrollo de la resistencia friccional y la interacción pavimento-rueda. La fricción se asegura con la elección de los materiales y diversos tratamientos superficiales (por ejemplo texturizado). Otra característica relacionada con la seguridad es la reflectividad de la superficie del pavimento.

OBJETIVOS


Rugosimetro BPR (Bureau of Public Road EEUU)

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Péndulo de fricción


Suelos: definiciones básicas

Nos interesa estudiar:Caracteristicas mecánicas de los suelos (granulometría)Características físicas de los suelos (Límites de Atterberg)

Recordar que:

Densidad de suelo seco:Dss = Peso del suelo seco / Volumen total

Humedad de un suelo:H(%) = (Peso de Agua / Peso de Suelo Seco) x 100

Límite Líquido (LL):Máxima H(%) para que el suelo no fluya y sea trabajable.

Límite Plástico (LP):Mínima H(%) para que el suelo no se resquebraje y sea trabajable.

Índice de Plasticidad: IP = LL – LPSuelo expansivo (IP > 10): presenta grandes cambios de volumen al variar H(%).

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Materiales Granulares

Canto Rodado: Retenido en tamiz 3”.Grava: Pasa tamiz 3” / Retenido por tamiz 10.Arena Gruesa: Pasa tamiz 10 / Retenido por tamiz 40.Arena Fina: Pasa tamiz 40 / Retenido por tamiz 200.

Materiales CohesivosPasan tamiz 200.

5. Limo : IP < 10.6. Arcilla: IP > 10.



Granulometría


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INTRODUCCIÓN:• El agua afecta significativamente el

comportamiento de las partículas finas de los suelos viales

• Diferentes partículas finas de los suelos se comportan de formas distintas frente a la acción del agua

• Cómo puedo categorizar los suelos a partir de suspartículas finas?

Límites Atterberg


Límite Plástico:

• Se realiza con la porción de suelo que pasa el tamiz de 0.425 mm (#Nº40)

• Se define como el más bajo contenido de humedadcon el que al ser moldeado en barritas cilíndricasde menor diámetro cada vez, comienza a agrietarsecuando las barritas alcanzan a tener 3mm de diámetro

Límites Atterberg – Límite Plástico

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Límite Líquido:• Es la menor humedad a partir de la cual el suelo se

comporta como un líquido


• Se define como el más bajo contenido de humedadnecesario para que las dos mitades de una pasta de suelo de 1cm de espesor fluyan y se unan en unalongitud de 12mm en el fondo de la muesca que separalas dos mitades cuando la cápsula que la contienegolpea 25 veces desde una altura de 1cm y a la velocidad de 2 golpes por segundo

Límites Atterberg – Límite Líquido



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Límite de Contracción:• Es la humedad para la cual el suelo no se contrae

cuando la humedad baja de ese límite, y se expande cuando la humedad aumenta sobre eselímite.


Límites Atterberg – Límite de Contracción


Límites Atterberg – Representación Grafica

VOLUMEN

HUMEDAD

LC

LP

LL

45º

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Existen varios sistemas de clasificación de suelosLos sistemas más comunes de clasificación son :

Unified Soil Classification System (USCS)Highway Research Board (HRB)

El sistema de clasificación HRB es el más comúnmenteempleado para suelos de uso vial

Sistemas de Clasificación de Suelos


Desarrollado para la industria de la construcción de caminosFundamentado en la observación de la estabilidad de diferentes suelos bajo pavimentos de rutas y autopistasPosee siete grupos principales de suelos, A-1 a A-7Agrupados por granulometría, límite líquido e índice de plasticidad

Clasificación de Suelos – HRB

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(2) El IP del Sug-Grupo A-7-5 es menor o igual que LL-30, y el IP del Sug-Grupo A-7-6 es mayor que LL-30

(1) La ubicación de A-3 antes que A-2 es necesaria para el “proceso de clasificación izquierda a derecha” y no indicasuperioridad de A-3 sobre A-2

Sentido de disminución de la calidad de los suelos como subrasante

A-7A-7-5A-7-6

P#Nº10 (2.00 mm) 50 max - - - - - - - - - -P#Nº40 (0.425 mm) 30 max 50 max 51 max - - - - - - - -P#Nº200 (0.075 mm) 15 max 25 max 10 max 35 max 35 max 35 max 35 max 36 min 36 min 36 min 36 min

Límite Líquido - 40 max 41 min 40 max 41 min 40 max 41 min 40 max 41 minÍndice de Plasticidad S/P 10 max 10 max 11 min 11 min 10 max 10 max 11 min 11 min (2)

Constitutivos Signif icantes

Arena f ina

Comportamiento general como subrasante

Excelente a bueno Regular a malo

Características generalesFrag. de piedra, grava, y arena

Grava y arena limosa o arcillosa Limos Arcillas

Análisis granulométrico

Características de la fracción que pasa #Nº40-

6 max

A-4 A-5 A-6A-1-a A-1-b A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7

Grupo de Clasif icaciónA-1

A-3 (1)

A-2

Clasificación General Materiales Granulares(35% o menos pasa #Nº200 -0.075mm-)

Materiales Limo-Arcillosos(más del 35% pasa #Nº200 -0.075mm-)


A-1 a A-3: Excelente a buen material para subrasante A-1: máxima estabilidad, menos del 50% pasa #Nº40,

menos del 25% pasa #Nº200A-2: menos del 35% pasa #Nº200A-3: arena fina

A-4 to A-7: Regular a pobre material para subrasanteMás del 36% pasa #Nº200Separación por límite líquido e índice plástico


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70

60

50

40

30

A-7-620 A-6

A-2-6 A-2-7

A-7-5

10 A-4

A-2-4

A-5

A-2-50 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Índi

ce d

e P

last

icid

ad

Límite Líquido

DIAGRAMA PARA DIFERENCIAR GRUPOS DE SUELOS EN FUNCIÓN DE LOS LÍMITES ATTERBERG

IP = LL - 30


Índice de Grupo (IG):

Se utiliza para evaluar y comparar suelos de la misma clasificación

IG = (F-35)[0.2+0.005(LL-40)]+(F-15)(IP-10),

F = % pasa #Nº200 (0.075mm)LL = Límite LíquidoIP = Índice de Plasticidad

Se determina para los suelos finos y los sub-grupos A-2-6 y A-2-7 de los suelosgranulares. Para estos sub-grupos sólo se aplica el tercer término de la ecuación

IG >= 0, si la ecuación da un valor negativo se adopta cero como IG


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COMPACTACIÓN DEL SUELO

DEN

SID

AD

(k

g/m

3)

HUMEDAD %

ENERGÍA DE COMPACTACIÓN


Densidad Proctor

Dss

H

A

Hop

Dmax

Hidratación LubricaciónHinchamientoSaturación

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Relación entre Tensión y Deformación – Ensayos

Empíricos:CBR (California Bearing Ratio, AASHTO T-193) o

VSR (Valor Soporte Relativo, VN E-6). k (Módulo de Reacción de la Subrasante, AASHTO

T-222)Racionales:

Ensayo triaxialMódulo Resiliente (AASHTO T-294)


INTRODUCCIÓN:El CBR de un suelo es la relación, en %, entre el

esfuerzo necesario para penetrar un pistón de dimensiones dadas a una velocidad prefijadahasta una profundidad determinada en la muestradel suelo analizado, y la presión correspondientepara la misma penetración en una muestra patróncon características ideales

El CBR o valor soporte relativo de los suelosestablece, en forma indirecta, una medida de resistencia al corte

California Bearing Ratio (CBR) – Definición

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El valor soporte relativo de un suelo dependederá:• Características fisico químicas del mismo,• Densidad seca,• Forma de compactación,• Humedad con la que fue compactado,• Humedad al momento del ensayo de CBR• Sobrecarga aplicada al momento del ensayo de

CBR

CBR – Condiciones de Ensayo


CBR – Condiciones de Ensayo

Humedad de compactación: Pequeñas variaciones en el contenido de humedad de compactación afectansignificativamente el CBRSobrecarga: incrementa el CBR de los suelosfriccionales y disminuye el hinchamiento de los sueloscohesivosHumedad de ensayo: el ensayar el suelo en condiciones de embebimiento equivale a proyectar en las más desfavorables condiciones a que puede llegarun pavimento

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CBR – Ensayo “IN SITU”


CBR – Ensayo Dinámico –Compactación

Completo (15 probetascompactadas)

Simplificado (3 probetascompactadas)

Este ejemplocorresponde a un material friccional con Hop baja

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CBR – Ensayo de Penetración


CBR – Ensayo de Penetración

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CBR – Ensayo Dinámico Completo - Resultados

(+)

(+) (+)

(+)Hinchamiento

VSRHumedad (+) (+)


CBR – Ensayo Dinámico Simplificado - Resultados

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CBR – Correlación y Valores Orientativos

Resistencia [kg/cm2] ≅ 100 * CBR (parasuelos finos cohesivos)Hinchamiento <= 2% no presenta potencialesproblemasValores orientativos de CBR o VSR según la función del material en el paquete estructural:

Base: CBR >= 80%Base: CBR >= 80%SubbaseSubbase: CBR >= 40%: CBR >= 40%Subrasante Subrasante buenabuena: CBR : CBR ≅≅ 8%8%Subrasante regular a Subrasante regular a pobrepobre: CBR : CBR entreentre 5% y 1%5% y 1%


Módulo de Reacción de la Subrasante (k)

INTRODUCCIÓN:

El El mmóódulodulo de de reaccireaccióónn de la subrasante (de la subrasante (kk) de un ) de un suelosuelo se define se define comocomo la la relacirelacióónn entreentre el el presipresióónnaplicadaaplicada mediantemediante un un platoplato o disco, de o disco, de secciseccióónndada, a la subrasante y la dada, a la subrasante y la penetracipenetracióónn o o deflexideflexióónn resultanteresultante (AASHTO T(AASHTO T--222 y ASTM D222 y ASTM D--1195)1195)El El kk midemide la la resistenciaresistencia ((o o capacidadcapacidad soportesoporte) ) del material de subrasante a ser del material de subrasante a ser comprimidocomprimido bajobajola la acciaccióónn de de laslas cargascargas transmitidastransmitidas al al suelosuelo

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k – Ensayo del plato de carga - Esquema


k – Consideraciones sobre su determinación

Para su determinación debe aplicarse una presióncon el plato de carga similar a la que le transmitirá el pavimento en servicio:

En general se En general se aplicanaplican 10psi (0.7kg/cm10psi (0.7kg/cm22))El valor k depende además del diámetro del plato:

La La deflexideflexióónn generalmentegeneralmente aumentaaumenta cuandocuando el el tamatamaññoo del del platoplato disminuyedisminuye ((parapara presipresióónn ctecte))Para Para pavimentospavimentos rríígidosgidos se se adoptaadopta un un didiáámetrometrode 30de 30”” (76cm)(76cm)

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k – Aplicación en la teoría de Westergaard

Para la correspondencia de los resultados en pavimentos rígidos con la teoría desarrollada porWestergaard el valor k determinado con el ensayodel plato debe ser establecido para una deflexiónde 0.05” (1.25mm)


k – Correlación con CBR

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TIPOS DE PAVIMENTO: PAVIMENTO FLEXIBLE

PAVIMENTO FLEXIBLE: la totalidad de la estructura interviene en la distribución de las cargas. Dicha distribución depende de la trabazón entre agregados, la fricción entre partículas y cohesión (estabilidad). La calidad de la subrasante se mide en términos de módulo resiliente(CBR).


TIPOS DE PAVIMENTO: PAVIMENTO RIGIDO

PAVIMENTOS RÍGIDOS: las cargas son absorbidas por la losa de hormigón, las capas inferiores deben servir de apoyo. La subrasante se mide en términos de “módulo de reacción de la subrasante” (kg/cm3)

Juntas de contracción y alabeo: hendidura 4.5 cmcada 5 m.

Juntas longitudinales: barras de unión de acero conformado

Junta transversal: pasador de acero liso mitad engrasado

Junta de expansión

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PAVIMENTOS RIGIDOS:Tipos de juntas


PAVIMENTOS RIGIDOS:Tipos de juntas

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PAVIMENTOS RIGIDOS:Distribución de juntas


AreasAreasgrandes.grandes.

AreasAreaspequepequeññasas

Distrib. De cargasDistrib. De cargasMasMasMenosMenosDuraciDuracióónnMasMasMasMasRugosidadRugosidadMenosMenosMasMasComodoComodoMenosMenosMas, Mas, masmasMantenimientoMantenimientoMasMasMenosMenosCosto inicialCosto inicialRigidoRigidoFlexibleFlexibleCaracterCaracteríísticassticas

COMPARACIÓN

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DISEÑO DE PAVIMENTOS

El diseño de pavimentos incluye:Elección del tipo de pavimento (flexible, rígido y compuesto)Diseño de la estructura (bases, subbases, dosificación de agregados)Selección de las capas de suelo dentro de la estructuraDiseño de los espesores de las distintas capas

Los factores que determinan el diseño del pavimento son:La carga de tráficoLos suelos y los materialesEl entornoConfianza


CARGA DE TRAFICOEs el factor más importante para el diseño de pavimentos puesto que determina el espesor del mismo.

Depende del peso de los ejes, el volumen y la composición del tráfico y la presión de los neumáticos.

El cálculo de la carga del tráfico varía según los métodos utilizados.

El método AASHTO utiliza ejes equivalentes de 18 kips ESALs(Equivalent single axe load) todo el tráfico es trasformado a cargas de eje simple de 18.000 lb.

Otros métodos utilizan el TMDA y el porcentaje de vehículos pesados.


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SUELOSSuelos débiles o inestables pueden requerir algún tipo de tratamiento para mejorarlo.La propiedad más importante de los suelos es el módulo resilienteque representa su capacidad de recuperación de deformación a una determinada carga.

ENTORNOLluvias, humedad y temperatura. Procesos de congelamiento y deshielo.

CONFIANZA80% a 99% para la mayoría de los casos.



MÉTODOS DE DISEÑO

Existen dos grandes clasificaciones de métodos de diseño:

Método tradicional experimental/estadístico de AASHTO. Basado en datos reales y relevados continuamente de las carreteras de los Estados Unidos. El modelo es una modelizaciónestadística según el comportamiento de una gran cantidad de tipos de pavimento.

Método mecanisistico/empírico del Asphalt Institute y la Portland Cement Association. Basado en modelizaciones teóricas del comportamiento del pavimento: el pavimento se lo asemeja a un estrato multicapa de comportamiento elástico en una fundación elástica. El método es calibrado con experiencias.

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GESTIÓN DE PAVIMENTOS

Un sistema de gestión de pavimentos coordina distintas actividades asociadas al diseño, planeamiento, construcción, mantenimiento, investigación y evaluación de pavimentos.

Los sistemas se estructuran alrededor de tres etapas:

1. Relevamiento sistemático de las condiciones (estructurales, superficiales, etc.) de los pavimentos.

2. Diagnóstico: ordenamiento de prioridades, estudio de alternativas

3. Implementación de alternativas


EJEMPLO: AUSCULTACIÓN DE PAVIMENTOS

La campaña de auscultación deflectométrica se realiza con un deflectómetro por impacto tipo Falling Weight Deflectometer (FWD). Consiste en la aplicación de cargas en la superficie del pavimento, midiendo la respuesta estructural del mismo en términos de deflexiones superficiales.

El equipo FWD aplica en la superficie del pavimento una carga dinámica en forma de impulso similar, tanto en duración como en magnitud, a la producida por los vehículos las aeronaves más pesadas que operan en el aeropuerto.

El equipo utiliza sensores (geófonos), los cuales efectúan las determinaciones de deflexiones producidas por la carga. Los mismos se distribuyen a 0, 30, 60, 90, 120,150 y 180 cm del centro del plato de carga, tal como fue solicitado. La carga aplicada, puede variar, por ejemplo entre 3.000 kg hasta 15.000 kg, distribuida en un plato de carga de 0.30 m de diámetro.

El objetivo principal de las mediciones efectuadas es estudiar el estado del pavimento y los parámetros estructurales del mismo en las diferentes secciones.

La transferencia de carga entre losas adyacentes constituye un importante parámetro en la evaluación estructural de pavimentos de hormigón, ya que las juntas corresponden generalmente a las áreas de mayor deterioro observado en las losas.

Otro aspecto importante es la evaluación de la eficiencia de juntas en pavimentos de hormigón (no sólo de la eficiencia de la transferencia de carga en términos de deflexión sino también en términos de tensiones)

GESTIÓN DE PAVIMENTOS

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Pavimentos rigidos

Los pavimentos rígidos son aquellos en los que la capa superior del pavimento está compuesta por hormigón.La caracteristica más notable del pavimento rígido es su resistencia a compresión, muy superior a la de tracción. Para soportar esfuerzos de tracción se les colocan barras o se los pretensan.


Función de las subbases

Pavimentos Rígidos Solicitan la subrasantecon bajas tensiones

Porqué puede sernecesaria la interposición

de una subbase

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Subbases Soporte uniforme y estable

1) Previenen contracciones e hinchamientos excesivosde los suelos caracterizados por altos cambiosvolumétricos

2) Colaboran en el control de levantamientosdiferenciales o excesivos por acción de heladas

3) Previenen el fenómeno denominado “bombeo”de lossuelos finos



BombeoDefinición: eyección forzada de una mezcla de suelos finos y agua a través de las juntas.Causas:

Subrasante con suelo susceptible de entrar en suspensiónAgua libre entre el pavimento y la subrasantePasaje frecuente de cargas pesadas

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El bombeo puede ser evitado interponiendo, entre el pavimento y la subrasante, materiales no susceptibles a este fenomeno (ejecución de unasubbase)

3) Previenen el fenómeno denominado “bombeo”de los suelos finos



La principal razón para la ejecución de subbases es prevenir el bombeo, para lo cual alcanza con espesores mínimos constructivos(10cm - 15cm)

No se justifica económicamente ejecutar subbases con el objetivode aumentar la capacidad portante de las capas inferiores de la losade hormigón

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Equipo cortador de cancha “Trimmer”


Descarga de hormigón

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Descarga de hormigón


Equipo pavimentador

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Equipo pavimentador


Texturizado

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Aserrado de juntas


Sellado de juntas

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Curado con agentes químicos

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