Descripción: Manual descriptivo del software de diseño de pavimentos DIPAV desarollado por el IBCH Bolivia....
DIPAV 2.0 Manual Del Usuario
INDICE PREFACIO
1
AGRADECIMIENTOS
1
RESPONSABILIDAD
2
1
INICIO
3
1. INTRODUCCIÓN|
3
2. LO NUEVO DE DIPAV 2.0
3
2.1. INTERFAZ MEJORADA
4
2.2. AGRUPADO DE PROYECTOS
5
2.3. DUPLICADO DE DISEÑO
5
2.4. UNIDADES MÉTRICAS E INGLESAS
5
2.5. CÁLCULO DE ESALS QUE PUEDEN SER RESISTIDOS DADO UN DETERMINADO ESPESOR/NÚMERO ESTRUCTURAL 5 2.6. DISEÑO DE SOBRECARPETAS
5
2.7. COMPATIBILIDAD CON DIPAV 1
6
3. SOPORTE DIPAV 2.0
6
3.1. AYUDA DIPAV 2.0
6
3.2. ASISTENCIA IBCH – DIPAV 2.0
6
4. INSTALACIÓN DE DIPAV 2.0
7
4.1. REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
7
4.2. PROCEDIMIENTO DE INSTALACIÓN
7
2
CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL SOFTWARE
9
1. INTRODUCCIÓN
9
2. MENÚS DE DIPAV
9
2.1. MENÚ “ARCHIVO”
10
2.1.1. “Nuevo”; Creación de un nuevo Proyecto
10
2.1.2. “Abrir Proyecto”; Apertura de una nueva pestaña con un diseño existente.
11
2.1.3. “Abrir Grupo de Proyectos”; Apertura de varias pestañas cada una con un diseño diferente correspondientes al Proyecto abierto. 12
i
2.1.4. “Guardar”; Almacenamiento de un Proyecto.
12
2.1.5. “Guardar Como”; Almacenamiento con otro nombre.
13
2.1.6. “Guardar Grupo de Proyectos”; Almacenamiento de un Grupo de Proyectos.
13
2.1.7. “Guardar Grupo de Proyectos Como”; Almacenamiento con otro nombre.
13
2.1.8. “Vista previa de impresión”; Impresión en pantalla de datos, resultados y tablas.
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DIPAV 2.0 Manual del Usuario
2.1.9. “Imprimir”; Impresión de datos, resultados y exportación.
14
2.1.10. Salir de DIPAV 2.0
14
2.2. MENÚ “HERRAMIENTAS”
14
2.2.1. Configuración Regional
14
2.2.2. Información llave de Funcionamiento
14
2.3. MENÚ “PROYECTO”
14
2.3.1. Duplicar
14
2.3.2 Exportar Proyecto
15
2.4. MENÚ “AYUDA”
15
3. BARRA DE HERRAMIENTAS
15
3
DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS
17
1. INTRODUCCIÓN
17
2. CONCEPTOS SOBRE EL MÉTODO AASHTO
17
3. DISEÑO DE LOS ELEMENTOS DEL PAVIMENTO RÍGIDO
18
3.1. VARIABLES QUE INTERVIENEN EN EL DISEÑO:
19
3.1.1. Serviciabilidad Inicial
20
3.1.2. Serviciabilidad Final
20
3.1.3. Pérdida de serviciabilidad por efectos medioambientales
20
3.1.4. Módulo de Ruptura Promedio del Hormigón a los 28 días
21
3.1.5. Módulo Elástico Promedio de la losa a los 28 días
21
3.1.6. Coeficiente Global de Drenaje
22
3.1.7. Módulo Efectivo de Reacción de la Subrasante “k”
23
3.1.8. Coeficiente de Transferencia de Carga
33
3.1.9. Nivel de Confianza
34
3.1.10. Desviación Estándar Global
35
3.1.11. Tráfico y ejes equivalentes simples de 80 KN (ESALS 18 kips) sobre el período inicial de desempeño.
35
3.1.11.1. Factores Equivalentes de Carga
36
3.1.11.2. Cálculo de ESALs
37
3.1.11.3. Cálculo del TPDA
39
3.1.11.4. Cálculo de Factores Equivalentes Vehiculares (FC).
39
3.1.12. Cálculo del Espesor de Losa.
41
3.1.13. Cálculo de ESALs que pueden ser resistidos dado un determinado espesor de Losa.
41
3.2. OTRAS CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO
42
3.2.1.1. Factor de Fricción
46
3.2.1.2. Calidad de Acero
46
3.2.1.3. Diámetro de las Barras
46
3.2.1.4. Distancia al Borde Libre
46
Cemento y el Hormigón
ii
DIPAV 2.0 Manual Del Usuario
3.2.1.5. Porcentaje de Resistencia a la Tracción
47
3.2.1.6. Separación entre barras de amarre
47
3.2.1.7. Longitud de Barras de Amarre
47
3.2.2. Reservorio de la Junta y Diseño de Sellador
47
3.2.2.1. Coeficiente de Expansión Térmica del Hormigón
48
3.2.2.2. Rango de Temperatura de Colocación del Hormigón a una Temperatura Mínima
49
3.2.2.3. Coeficiente de Retracción por Secado de la Losa de Hormigón
49
3.2.2.4. Coeficiente de Ajuste por Fricción entre Losa y Subbase
49
3.2.2.5. Tipo de Sellador
50
3.2.2.6. Apertura de la junta
51
3.2.2.7. Ancho del Reservorio de Junta
51
3.2.2.8. Espesor mínimo del sello
51
3.2.2.9. Profundidad Mínima del Sello
51
3.2.2.10. Profundidad Mínima de Corte de Ampliación
51
3.3. VISUALIZACIÓN DE LOS RESULTADOS DE DISEÑO
52
4
iii
DISEÑO ESTRUCTURAL FLEXIBLE
55
1. INTRODUCCIÓN
55
2. DATOS DE DISEÑO
56
2.1. SERVICIABILIDAD INICIAL
56
2.2. SERVICIABILIDAD FINAL
57
2.3. MÓDULO RESILIENTE DEL SUELO NATURAL DE LA CARRETERA
57
2.4. NIVEL DE CONFIANZA
58
2.5. DESVIACIÓN ESTÁNDAR GLOBAL
59
2.6. NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES ESALS
59
2.7. NÚMERO ESTRUCTURAL
60
2.8. CÁLCULO DE ESALS QUE PUEDEN SER RESISTIDOS DADO UN DETERMINADO NÚMERO ESTRUCTURAL.
60
3. DISEÑO DE ESPESORES DE CAPAS DEL PAVIMENTO
60
3.1. MÉTODO DE DISEÑO CON VERIFICACIÓN POR CAPAS
62
3.1.1. Nombre de Capa
63
3.1.2. Coeficiente Estructural
63
3.1.2.1. Coeficiente Estructural para Concreto Asfáltico en Caliente
63
3.1.2.2. Coeficiente Estructural para Capa Base Granular
63
3.1.2.3. Coeficiente Estructural para Capa Subbase Granular
64
3.1.2.4. Coeficiente Estructural para Base Tratada con Cemento
64
3.1.2.5. Coeficiente Estructural para Base Tratada con Asfalto
64
3.1.3. Coeficiente de Drenaje
64
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3.1.4. Módulo Resiliente
65
3.1.5. Espesor Especificado
66
3.1.6. Espesor Calculado con Verificación por Capas
66
3.2. DISEÑO ESPECIFICADO
66
3.2.1. Número Estructural Alcanzado y Requerido.
67
4. VISUALIZACIÓN DE LOS RESULTADOS DE DISEÑO
67
4.1. GRÁFICOS DE SENSIBILIDAD
68
4.1.1. Rangos
68
5
DISEÑO SOBRECARPETAS
69
1. INTRODUCCIÓN
69
2. CONCEPTOS DE CAPACIDAD ESTRUCTURAL Y DEFICIENCIA ESTRUCTURAL
70
3. TIPOS DE DISEÑO DE SOBRECARPETAS
72
3.1 CONCRETO ASFÁLTICO SOBRE PAVIMENTO DE CONCRETO ASFÁLTICO
73
3.1.1 Capacidad estructural para tráfico futuro
74
3.1.1.1 Cargas de Ejes Equivalentes futuras para el período de diseño
75
3.1.1.2 Serviciabilidad inicial
75
3.1.1.3 Serviciabilidad final
76
3.1.1.4 Nivel de confianza
76
3.1.1.5 Desviación estándar global
76
3.1.1.6 Módulo resiliente de diseño de subrasante
76
3.1.2 Capacidad estructural efectiva
77
3.1.2.2 Método de Vida Remanente
80
3.1.2.3 Método de ensayo no destructivo (NDT)
83
3.1.3. Diseño de espesor
84
3.2 SOBRECARPETA DE ASFALTO SOBRE LOSA DE HORMIGÓN FRACTURADA
86
3.2.1 Número estructural para tráfico futuro
87
3.2.2 Numero estructural efectivo del pavimento existente
88
3.2.2.1 Método de análisis de componentes
88
3.2.3 Número estructural calculado de sobrecarpeta
89
3.3. SOBRECARPETA DE ASFALTO SOBRE PAVIMENTO DE HORMIGÓN
91
3.3.1 Espesor de pavimento para tráfico futuro
92
3.3.1.1 Ejes equivalentes de 80KN futuros sobre el período de diseño
93
3.3.1.2 Serviciabilidad inicial
93
3.3.1.3 Serviciabilidad final
93
3.3.1.4 Módulo de ruptura del hormigón
93
3.3.1.5 Módulo elástico del hormigón
94
3.3.1.6 Valor estático k
94
Cemento y el Hormigón
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DIPAV 2.0 Manual Del Usuario
v
3.3.1.7 Nivel de confianza
95
3.3.1.8 Desviación estándar global
95
3.3.1.9 Coeficiente de transferencia de carga
95
3.3.1.10 Coeficiente global de drenaje
96
3.3.2 Espesor existente efectivo del pavimento
96
3.3.2.1 Método de Estudio de Condición
96
3.3.2.2. Método de vida remanente
99
3.3.3 Espesor calculado de sobrecarpeta de asfalto
104
3.4. SOBRECARPETA DE ASFALTO SOBRE PAVIMENTO DE ASFALTO/HORMIGÓN
106
3.4.1 Espesor de pavimento para tráfico futuro
107
3.4.2 Espesor efectivo de pavimento existente
108
3.4.3 Espesor de sobrecarpeta
112
3.5. SOBRECARPETA DE HORMIGÓN ADHERIDA SOBRE PAVIMENTO DE HORMIGÓN
114
3.5.1 Espesor de pavimento para tráfico futuro
115
3.5.2 Espesor efectivo existente
116
3.5.2.1. Método de estudio de condición
116
3.5.2.2 Método de vida remanente
117
3.5.3 Espesor de sobrecarpeta
118
3.6 SOBRECARPETA DE HORMIGÓN NO ADHERIDA SOBRE PAVIMENTO DE HORMIGÓN
120
3.6.1 Espesor de pavimento para tráfico futuro
121
3.6.2 Espesor Efectivo Existente
121
3.6.2.1 Método de Estudio de Condición
121
3.6.2.2 Método de Vida Remanente
123
3.6.3 Espesor de sobrecarpeta
125
3.7 SOBRECARPETA DE HORMIGÓN SOBRE PAVIMENTO DE ASFALTO
126
4. RETROCÁLCULO
127
4.1 ORIGEN DE DATOS
128
4.1.1. Conjuntos de Datos de Deflexión Kuab o Dynatest
128
4.1.2. Añadir y Quitar Fuentes de Datos de Deflexión
129
4.1.3. Visualizando Fuentes de Datos de Deflexión
130
4.1.4. Procesado y Configuración de Fuentes de Datos
130
4.2 DATOS
131
4.3 RESULTADOS
132
4.4 TRANSFERENCIA DE CARGAS POR DEFLEXIÓN
133
4.4.1. Origen de datos
134
4.4.2. Resultados
135
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PREFACIO Conscientes de la necesidad de modernizar las herramientas de diseño de pavimentos disponibles en el país, el IBCH emprendió la tarea de elaborar un programa computarizado, útil tanto para ingenieros así como para estudiantes, que permita la automatización del diseño y rehabilitación de pavimentos, tanto rígidos como flexibles, proporcionando a los diseñadores mayores facilidades para analizar diseños alternativos y su sensibilidad frente a las distintas variables que intervienen, comparar alternativas y realizar procesos de optimización. Luego de un prolongado esfuerzo nos complacemos en presentar una nueva edición del Manual de Usuario del software DIPAV – IBCH en su versión 2.0, incorporando al diseño de pavimentos nuevos los procedimientos de diseño de sobrecarpetas en pavimentos existentes. La primera parte de este manual contiene la explicación de todas las variables para el diseño de pavimentos rígidos y flexibles bajo la metodología propuesta en la Guía AASHTO para el Diseño de Estructuras de Pavimentos en su versión 1993. La segunda parte permite el diseño de siete casos de sobrecarpetas con ejemplos que muestran la aplicación de DIPAV-IBCH 2.0, herramienta que sin duda completará el diseño de pavimentos bajo la metodología AASHTO – 93. Este nuevo programa es compatible con Windows XP, Vista y Windows 7, tiene varias diferencias con el programa anterior, como conversión de unidades métricas a inglesas y viceversa en los datos que así lo requieren. Otras características como el procedimiento de cálculo de ejes equivalentes que han probado su versatilidad en la versión anterior se han mantenido. Adicionalmente, se ha incorporado en el diseño de sobrecarpetas la metodología de cálculo de propiedades del suelo usando el Deflectómetro de Impacto (FWD). El software “IBCH – DIPAV 2.0” ha sido diseñado para simplificar notablemente el proceso de análisis y diseño de un pavimento, sin embargo, es esencial un profundo conocimiento de los fundamentos de ingeniería y los principios asociados con el diseño de pavimentos para su apropiada aplicación. De ninguna manera el contenido de este manual y tampoco las rutinas que están programadas en el software pueden tomar el lugar de la pericia profesional de un ingeniero calificado en el diseño de pavimentos. DIPAV 2.0 - IBCH ha sido extensivamente revisado, inclusive con rangos de datos extremos con otros paquetes comerciales como DARWin y PAS 5, obteniéndose resultados prácticamente idénticos, con variaciones ínfimas resultantes del método de solución de las ecuaciones de la Guía AASHTO.
AGRADECIMIENTOS La investigación y desarrollo que ha requerido el presente programa, ha sido encarado íntegramente por profesionales nacionales que han puesto su mayor dedicación para lograr un programa útil, fácil de usar y adecuado a la realidad latinoamericana. Este esfuerzo no habría sido posible sin el concurso de la industria cementera nacional, qué siempre ha apoyado con decisión todas las iniciativas técnicas del IBCH, en su compromiso por compartir y crear herramientas tecnológicas que sean de utilidad a estudiantes e ingenieros comprometidos con el desarrollo de la red vial nacional.
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RESPONSABILIDAD El Software “IBCH – DIPAV 2.0” ha sido desarrollado siguiendo el método y las ecuaciones descritas en la publicación: “AASHTO Guide for Design of Pavement Structures 1993” y “AASHTO Pavement Overlay Desing”. Los derechos de autor del método de diseño pertenecen a AASHTO. El manual en línea y la ayuda del programa, reproducen tablas y fórmulas obtenidas directamente de la citada publicación, con permiso para su reproducción. Para ampliación de la información presentada, remitimos al usuario a la Guía de AASHTO, la misma que puede ser obtenida en http://www.aashto.org. Este programa ha sido concebido para ser utilizado como una herramienta útil para el diseño y análisis de pavimentos rígidos y flexibles, así como su rehabilitación según el método de diseño de pavimentos de AASHTO. El IBCH ha realizado el mayor esfuerzo para presentar la información acerca del método así como la solución de las ecuaciones respectivas a través del programa “IBCH – DIPAV 2.0”, sin embargo, los resultados de la aplicación del software dependen del buen juicio de los usuarios del mismo, quienes deberán asumir la responsabilidad que ello implica.
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1 1 INICIO 1. INTRODUCCIÓN Este manual está organizado de manera que pueda ser utilizado tanto por usuarios de nivel básico, como de nivel avanzado dentro el campo de los pavimentos. La primera parte cubre las características de operación del programa, presentando los diferentes Menús disponibles, para ello, cada vez que se hace referencia a un Menú o Sub-Menú del programa, éste se indicará en letra negrilla y cursiva, por ejemplo “Archivo”. A continuación, se presentan en detalle los procesos de diseño de pavimentos tanto rígidos como flexibles, con una breve descripción de los conceptos de diseño en base a la Guía de diseño AASHTO en su versión 1993. El nuevo DIPAV 2.0 permite la automatización del proceso de diseño de pavimentos rígidos y flexibles, incluyendo el diseño de juntas, barras de amarre en losas y otros, pero además se ha incluido en ésta nueva versión la posibilidad de diseñar sobrecarpetas, para la rehabilitación de pavimentos antiguos. El nuevo DIPAV 2.0 ha sido diseñado de manera que aproveche al máximo las facilidades de ambiente Windows, ya que permite utilizar simultáneamente otros programas como procesadores de palabras, hojas electrónicas, etc., a fin de utilizar las funciones “copiar” y “pegar”, además de la facilidad de exportar los resultados del programa para la elaboración de informes, tablas y gráficos según el formato que el usuario desee.
2. LO NUEVO DE DIPAV 2.0 Desde su creación en 2005, DIPAV ha evolucionado para brindar mayores prestaciones y facilitar su uso, manteniéndose a la par con la evolución tecnológica de las computadoras personales y los sistemas operativos. DIPAV 2.0 es la versión más reciente de DIPAV e incorpora varios avances significativos en programación y capacidades relacionadas. En cierta manera, todo en DIPAV 2.0 es nuevo. Desde el punto de vista del programa, la forma en que se utiliza, hasta sus características y capacidades. Casi todas las características del programa han sido mejoradas y tanto los usuarios que recién se inician en el uso de DIPAV así como aquellos que están familiarizados con la versión anterior de DIPAV encontrarán en ésta nueva versión una manera más fácil e intuitiva de interactuar con el programa. Cabe recomendar a aquellos usuarios que no tengan sólidos conceptos en diseño y rehabilitación de pavimentos, revisar el Manual de diseño de sobrecarpetas, documento incluido en el CD de instalación, que contiene toda la información teórica necesaria. DIPAV 2.0 al igual que su antecesor se basa en los conceptos de la Guía de diseño AASHTO versión 1993 por lo que la parte de cálculos y ecuaciones del programa son las mismas que las
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utilizadas en la versión anterior de DIPAV. El nuevo módulo de cálculo de sobrecarpetas se basa en los métodos y ecuaciones desarrollados en la Guía “AASHTO Pavement Overlay Desing”. En esta sección, se describen los cambios mayores que afectan el uso de DIPAV 2.0.
2.1. INTERFAZ MEJORADA En ésta nueva versión la interfaz de usuario ha sido renovada y mejorada para brindar al usuario, mayor facilidad para interactuar con el programa y mantener ordenada la información. Se ha creado una única ventana principal del programa, que alberga cada nuevo proyecto de diseño en una nueva pestaña, permitiendo crear, abrir y/o editar infinidad de proyectos (pestañas) sin que esto influya en el desempeño del programa ni en el rendimiento del ordenador. DIPAV 2.0 gracias a su nueva interfaz optimiza el uso de recursos del ordenador, creando una única instancia del programa con pestañas que reutilizan y comparten recursivamente funciones, formularios y componentes. Logrando así un DIPAV más rápido y eficiente.
Figura 1.1.- Interfaz DIpav 2.0
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2.2. AGRUPADO DE PROYECTOS Si bien ya en DIPAV 1 se permitía guardar un diseño individual o varios diseños como un solo proyecto, en ésta nueva versión se ha creado una extensión y una manera de guardado de archivos diferente para cada tipo de proyecto de diseño. En esta nueva versión un diseño individual, es decir un diseño que contiene un solo tipo de diseño, sea éste pavimento rígido, flexible o sobrecarpeta, es guardado como “Proyecto” y lleva la extensión “.dpv”. Un proyecto que contiene varios diseños sean estos pavimentos rígidos, flexibles o sobrecarpetas puede ser guardado como “Grupo de Proyectos” y lleva la extensión “.dpvp” Esto permite al usuario diferenciar entre un archivo que contiene varios diseños (Grupo de Proyectos) y aquel que contiene un solo diseño (Proyecto), esto con el fin de facilitar la organización de la información de los distintos Proyectos en un solo documento de DIPAV 2.0. Permitiendo añadir Proyectos simples (que contienen un solo tipo de diseño), a un nuevo Grupo de Proyectos, disminuyendo así los tiempos de diseño.
2.3. DUPLICADO DE DISEÑO La nueva versión de DIPAV incluye la función de duplicado de Proyecto que le permite al usuario hacer una copia exacta del Archivo de Diseño que tenga abierto y activo al momento de hacer clic sobre el botón Duplicar. Esto con el fin de modificar o crear un diseño nuevo sin tener por ello que cerrar o guardar con otro nombre el diseño que se tiene abierto. Pudiendo así realizar modificaciones que permitan comparar resultados y variaciones en el diseño proyectado.
2.4. UNIDADES MÉTRICAS E INGLESAS Si bien la versión anterior de DIPAV permitía la introducción de datos en unidades métricas así como inglesas, DIPAV 2.0 va más allá no solo permitiendo el uso de cualquiera de los sistemas de unidades, sino que además ahora DIPAV 2.0 convierte automáticamente las unidades de un sistema a otro permitiendo así visualizar los resultados en ambas unidades.
2.5. CÁLCULO DE ESALS QUE PUEDEN SER RESISTIDOS DADO UN DETERMINADO ESPESOR/NÚMERO ESTRUCTURAL DIPAV 2.0 incluye ahora la posibilidad de calcular la cantidad de ESALS que soportará un determinado pavimento dado el espesor de losa para pavimentos rígidos ó el número estructural para pavimentos flexibles. La forma de realizar éste cálculo utilizando DIPAV 2.0 es la misma que se utiliza para el cálculo del espesor de losa ó el número estructural.
2.6. DISEÑO DE SOBRECARPETAS DIPAV 2.0 incluye el módulo de Diseño de Sobrecarpetas, con siete casos diferentes de sobrecarpetas para la rehabilitación de pavimentos deteriorados. Si bien el módulo de diseño de sobrecarpetas es nuevo en DIPAV, se ha cuidado de mantener en éste la misma lógica de funcionamiento y usabilidad de los módulos de diseño de pavimentos nuevos, a fin de que la forma en que el usuario interactúa con el programa no sea diferente de la que se utiliza en los otros módulos del mismo.
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El módulo de Diseño de Sobrecarpetas, permite además importar datos capturados in situ con el Deflectómetro de impacto, para luego a través del retrocálculo obtener el Módulo Resiliente, el Módulo Efectivo, la Deflexión de Transferencia de Carga, el Módulo de Ruptura ó el Valor de K Dinámico según el caso a diseñar.
2.7. COMPATIBILIDAD CON DIPAV 1 DIPAV 2.0 es totalmente compatible con archivos creados en DIPAV 1, permitiendo abrir y recuperar toda la información introducida en proyectos de DIPAV 1, para luego guardarla ya sea como Proyecto ó como Grupo de Proyectos. Los diseños creados con DIPAV 2.0 no pueden ser abiertos con DIPAV 1.
3. SOPORTE DIPAV 2.0 IBCH – DIPAV 2.0 está diseñado para ser intuitivo y fácil de usar. Los usuarios experimentados podrán rápidamente acostumbrarse al uso del programa, sin embargo, aparte del presente manual, las siguientes fuentes están disponibles para ayudar a contestar cualquier pregunta acerca del software “DIPAV 2.0”.
3.1. AYUDA DIPAV 2.0 La ayuda en línea se encuentra disponible en cualquier momento mientras se usa DIPAV 2.0. Para acceder a la misma, busque el menú de Ayuda y seleccione Manual del Usuario. La misma operación puede realizarse mediante el botón Ayuda herramientas, ó presionando la tecla rápida F1.
, que se encuentra en la barra de
3.2. ASISTENCIA IBCH – DIPAV 2.0 DIPAV 2.0 fue desarrollado por el Instituto Boliviano del Cemento y el Hormigón, entidad sin fines de lucro dedicada al estudio del óptimo uso y aplicaciones del cemento y el hormigón, y por tanto proporciona servicios de apoyo y mantenimiento del software DIPAV 2.0 a todos los usuarios registrados. Para mayor asistencia sobre el software DIPAV 2.0, contacte al IBCH al teléfono/Fax (+591) 2 2788024. Por favor tenga su número de registro DIPAV 2.0 (que se encuentra impreso en el CD) preparado cuando llame. Adicionalmente, una dirección de correo electrónico ha sido establecida para permitir a los usuarios la oportunidad de realizar preguntas acerca de DIPAV 2.0 usando Internet. La dirección de correo electrónico es:
[email protected] Actualmente el Soporte para DIPAV 1 ya no se encuentra vigente, por lo que solo podrá solicitar ayuda y soporte técnico para DIPAV 2.0.
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4. INSTALACIÓN DE DIPAV 2.0 4.1. REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA Para ejecutar DIPAV 2.0 en su computador, usted necesita de los siguientes requisitos mínimos: • • • • • • • •
Procesador Pentium IV de 1GHZ o superior. 512 MB de memoria RAM. 200 MB de espacio libre en disco duro. Una unidad de lectura de CD. Tarjeta gráfica VGA o de mayor resolución. Mouse Microsoft o periférico apuntador compatible. Resolución 1024 x 768 (recomendada). Plataforma Windows XP, o versiones posteriores incluyendo Windows 7 de 32 ó 64 bits
4.2. PROCEDIMIENTO DE INSTALACIÓN Para instalar DIPAV 2.0 en su ordenador debe insertar el CD en la unidad de disco, y esperar a que auto ejecute el menú del CD, el cual contiene las siguientes opciones: Instalar, Ejecutar, Manual de Diseño, Manual de juntas y Salir. Estos dos manuales son aportes del IBCH para consulta por el usuario en estos temas. Para la instalación puede presionar el botón “instalar” de la pantalla inicial o bien buscar el archivo “Setup.exe” dentro del CD por medio del explorador de Windows. Una vez ejecutado el archivo de instalación, éste mostrará una pantalla informativa dando la bienvenida al proceso de instalación, se requiere que se presione el botón “siguiente” para continuar. A continuación, aparece una pantalla con el contrato de licencia de uso del software, presentando la opción de “no acepto” y “acepto”, si se selecciona la primera, se cancela la instalación. Seleccionando la segunda se debe presionar “siguiente”. A continuación, se pide el nombre de usuario y de la organización, es información adicional que no interrumpirá la instalación si se dejan vacíos estos campos, a continuación se debe hacer clic en el botón “siguiente”, la ventana desplegada solicita definir el directorio de instalación en el disco duro. El directorio por defecto es: C:\Archivos de Programa\DIPAV 2.0, presionando “Cambiar” se puede modificar a cualquier otra ruta. Cuando se realice la selección, presione el botón “siguiente”. Si el directorio escogido es válido, el programa indicará que está listo para iniciar la instalación para lo cual se requiere presionar “instalar”. A continuación se instalarán los archivos del programa, concluyendo con una ventana de aviso que indica que la instalación se ha realizado sin dificultades debiendo presionar “Finalizar”. Puede elegir abrir DIPAV 2.0 inmediatamente haciendo clic en la casilla de Verificación “Abrir DIVAP 2.0” que se encuentra en la pantalla final de instalación. Se puede verificar que se ha creado una carpeta en el directorio seleccionado por el usuario y adicionalmente se crean dos accesos directos (shortcuts), uno en Todos los Programas > DIPAV 2.0 del Menú inicio y el otro en el Escritorio para acceder rápidamente al programa. El IBCH cuenta con dos versiones del software. La primera viene con una llave física de seguridad, esta versión se puede instalar y ejecutar directamente siempre y cuando la llave esté conectada a un puerto USB, además puede instalarse las veces que uno desee en su equipo y en una cantidad
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ilimitada de equipos, el único requisito es el de tener la llave conectada. Después de eso no se necesita hacer ninguna operación adicional, además, esta versión no tiene fecha de expiración. La segunda versión, tiene el mismo contenido y no ha sido limitada en cuanto a las funciones mismas de DIPAV 2.0. La diferencia es que por su bajo costo y amplia difusión es una versión de entrenamiento en la que se han limitado el número de instalaciones a cuatro ordenadores. En el caso de haber adquirido ésta última versión se aumenta un paso final en la instalación del software. Después de realizar todo el proceso descrito en los anteriores pasos, se debe ejecutar el programa y seguir las siguientes instrucciones. Al iniciar DIPAV 2.0 por primera vez, aparecerá una Pantalla con instrucciones para obtener la Llave de uso de DIPAV 2.0 para su copia respectiva. Deberá contactar al IBCH y enviar la información que se solicita en la pantalla de Activación. Una vez verificada la Información, se le enviará por correo electrónico su llave de uso de DIPAV 2.0, que es un archivo con extensión “dpvll”, éste archivo deberá ser copiado en el directorio donde instaló el programa. A continuación abra DIPAV 2.0 y podrá ejecutar el programa normalmente. Este proceso sólo es necesario la primera vez que se ejecuta el programa, después la ejecución será directa. Cada vez que instale DIPAV 2.0 en su ordenador, deberá usar la llave de uso que le fue proporcionada la primera vez, ésta llave solo es válida para una ordenador. Para cada ordenador donde usted desee instalar DIPAV 2.0 Debe solicitar una nueva llave. Recuerde que ésta versión de DIPAV 2.0 puede ser instalada hasta un máximo de 4 ordenadores, por lo que usted solo podrá solicitar cuatro llaves de uso y éstas se registraran a nombre de la persona que adquirió la copia de DIPAV 2.0. El IBCH le informará si este es su primer, segundo, tercer ó cuarto ordenador que activa con la misma copia de DIPAV 2.0. Si usted desea utilizar DIPAV 2.0 en más de 4 ordenadores, debe adquirir una nueva copia del mismo.
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2 2 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL SOFTWARE 1. INTRODUCCIÓN El presente capítulo, cubre el manejo de archivos, su recuperación, almacenamiento e impresión, y la función de ciertas características de programa como teclas de función, botones de pantalla y manejo de ventanas. DIPAV 2.0 al igual que su antecesor, puede ser abierto varias veces, creando así ventanas independientes para desplegar en pantalla múltiples proyectos simultáneamente. Sin embargo se recomienda abrir el programa una sola vez, y utilizar la nueva función de manejo de pestañas a fin de optimizar el uso de recursos del ordenador. Para abrir más de un Proyecto o Grupo de Proyectos, bastará con ir al menú Archivo y hacer clic en la opción Nuevo. Esto abrirá una nueva pestaña para cada nuevo archivo de diseño que se cree, luego deberá guardar cada pestaña abierta con un nombre diferente, ó guardar el grupo de pestañas como proyecto si desea guardar todo en un solo archivo. Una consideración a tener en cuenta cuando se trabaja con DIPAV 2.0 es que al igual que en otros programas, si usted está utilizando un tamaño mayor (125%) en las fuentes del sistema, es probable que algunos títulos y nombres de comandos, así como unidades del programa se visualicen a medias ó no se visualicen. Esto debido a que DIPAV 2.0 utiliza una ventana de tamaño fijo.
2. MENÚS DE DIPAV A continuación, se presentan las características de los menús accesibles a través de la Barra de Menús. Una vez abierto DIPAV 2.0, los menús presentados en la parte superior de la pantalla son: “Archivo”; “Herramientas”, “Proyecto” y “Ayuda”. El primero “Archivo”, contiene todas las funciones inherentes al manejo de documentos, recuperación; guardado; impresión y cierre del programa. El Menú “Herramientas” permite hacer modificaciones en la configuración regional del ordenador. El Menú “Proyecto” permite ingresar datos generales de un proyecto o duplicar información de un archivo de diseño cuantas veces se desee. Finalmente el menú “Ayuda” contiene un acceso para desplegar ayuda en línea y también información adicional sobre el desarrollo del software. La pantalla inicial de DIPAV 2.0, se muestra a continuación:
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Figura 2.1. – Pantalla inicial DIPAV 2.0
2.1. MENÚ “ARCHIVO” Controla las actividades relacionadas con la administración de archivos, contiene los siguientes sub-menús: Nuevo; Abrir; Abrir Grupo de Proyectos; Guardar; Guardar Como; Guardar todos los Proyectos; Imprimir; Vista previa de Impresión y Salir.
2.1.1. “Nuevo”; Creación de un nuevo Proyecto Cuando se inicia el programa, se presenta una pantalla en blanco. Para poder crear un archivo nuevo, se debe presionar el sub-menú: Archivo – Nuevo. Esto despliega un cuadro de diálogo que le permite elegir el tipo de diseño que desea hacer, ya sea rígido, flexible ó uno de los siete casos de diseño de sobrecarpetas, escribir un nombre de hasta 26 caracteres para el nuevo proyecto, (éste nombre aparecerá como título de la
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nueva pestaña de diseño) y finalmente hacer clic en el botón aceptar para crear un nuevo diseño Si se desea crear dos o más archivos de diseño, solo bastará con presionar el sub-menú: Archivo – Nuevo, elegir el tipo de diseño en el cuadro de diálogo Nuevo, digitar el nombre para el nuevo archivo y hacer clic en aceptar. DIPAV 2.0 creará una nueva pestaña al lado derecho de la última pestaña creada, y desplegará en ésta la información para el nuevo archivo de diseño
Figura 2.2. – Cuadro de diálogo DIPAV 2.0 Nuevo
2.1.2. “Abrir Proyecto”; Apertura de una nueva pestaña con un diseño existente. Cuando ha creado y almacenado en disco un archivo de diseño, para desplegarlo en pantalla se requiere seleccionar, desde el menú Archivo la opción Abrir diseño, se mostrará el cuadro de diálogo Abrir de Windows, mediante el cual se puede acceder a distintos directorios. Se mostrarán todos los archivos que están ubicados en el directorio por defecto que tengan la extensión “.dpv” que es específica para archivos generados por DIPAV. Para evitar errores, no es posible ver otras extensiones ni tampoco importar datos de otros programas. Si se desea acceder a un directorio diferente, como en cualquier programa de ambiente Windows, se puede presionar la flecha descendente en la parte superior del cuadro de diálogo al lado del la lista de directorios. Al abrir un archivo dpv, se despliega en pantalla la información correspondiente a un único tipo de diseño, sea éste rígido, flexible ó sobrecarpetas, guardado con anterioridad. Si el archivo dpv que se desea abrir, es un Proyecto creado con DIPAV 1, se abrirá en DIPAV 2.0 una pestaña nueva por cada tipo de diseño que haya contenido dicho archivo de Proyectos, posteriormente se deberá guardar cada pestaña, individualmente como Proyecto ó guardar el grupo de pestañas como Grupo de Proyectos (.dpvp). Hay que tener en cuenta que al abrir con DIPAV 2.0 un archivo de DIPAV 1, se abren por defecto dos pestañas, una correspondiente a Pavimento Rígido y Otra a Flexible aún si el Proyecto solo incluye el diseño de un solo tipo de pavimento. Si alguno de estos diseños no fue utilizado en el archivo de origen, aparece en blanco, y genera una serie de alertas sobre la falta de introducción de parámetros, por lo que se debe aceptar todas las ventanas y posteriormente descartar el archivo que no se empleó por medio del botón Cerrar Pestaña Activa
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2.1.3. “Abrir Grupo de Proyectos”; Apertura de varias pestañas cada una con un diseño diferente correspondientes al Proyecto abierto. Cuando ha creado y almacenado en disco un Grupo de Proyectos, para desplegarlo en pantalla se requiere seleccionar, desde el menú Archivo la opción Abrir Grupo de Proyectos, se mostrará el cuadro de diálogo Abrir de Windows, mediante el cual se puede acceder a distintos directorios. Se mostrarán todos los archivos que están ubicados en el directorio por defecto que tengan la extensión “.dpvp” que es específica para archivos de Proyectos generados por DIPAV 2.0. Para evitar errores, no es posible ver otras extensiones ni tampoco importar datos de otros programas. Si se desea acceder a un directorio diferente, como en cualquier programa de ambiente Windows, se puede presionar la flecha descendente en la parte superior del cuadro de diálogo a lado del la lista de directorios. Puesto que ésta funcionalidad es nueva, no existen Archivos de tipo dpvp en DIPAV 1. Si desea cerrar un grupo de proyectos previamente abierto, bastará con hacer clic en el botón , y elegir la opción que desee. Al detectar que se encuentran Cerrar Pestaña Activa abiertas 2 ó más pestañas, DIPAV 2.0 despliega el cuadro de diálogo Tipo de Guardado que le permite elegir: •
Si desea guardar la pestaña actual como Proyecto
•
Si desea guardar todas las pestañas abiertas como Grupo de Proyectos
•
Si desea Cerrar el grupo de proyectos sin guardar los cambios realizados ó
•
Si desea Cerrar la pestaña activa sin guardar los cambios realizados
Figura 2.3. – Cuadro de diálogo DIPAV 2.0 Tipo de Guardado
2.1.4. “Guardar”; Almacenamiento de un Proyecto. Como en cualquier programa, el guardado frecuente del trabajo es la mejor forma de minimizar la frustración y el esfuerzo desperdiciado cuando ocurre una falla de sistema operativo o de computador. A pesar de que DIPAV 2.0 tiene formas para prevenir la salida del programa sin
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guardar el trabajo, NO EXISTE FORMA DE RESTAURARLO después de una falla del sistema si éste no ha sido previamente guardado. En este sentido, al presionar el sub-menú Archivo – Guardar, los datos introducidos hasta el momento así como los resultados obtenidos en los cálculos, son almacenados en disco duro o unidad de disco seleccionado. Si el Proyecto ya tiene un nombre, éste se mantendrá modificando la información interna previamente almacenada. Si se trata de un Proyecto nuevo, el programa abrirá un cuadro de diálogo para que pueda escribir el nombre del proyecto antes de guardarlo. Si existen varias pestañas abiertas con diferentes diseños, al presionar el sub-menú Archivo – Guardar, DIPAV 2.0 despliega un cuadro de diálogo preguntando si desea guardar el proyecto activo solamente, o si desea guardar todos los proyectos abiertos como un solo archivo (Grupo de Proyectos). Los mismos resultados se obtienen al hacer clic en el botón de guardado herramientas.
en la barra de
2.1.5. “Guardar Como”; Almacenamiento con otro nombre. Si se tiene un archivo previamente guardado y se desea guardar las modificaciones con otro nombre para no alterar los datos almacenados en disco, o si se desea utilizar un proyecto anterior como plantilla para elaborar un proyecto nuevo, puede utilizarse el sub-menú Guardar Como, el mismo que permite almacenar la información del diseño bajo un nombre diferente, manteniendo intactos los datos originales que precedieron a la última operación de guardado.
2.1.6. “Guardar Grupo de Proyectos”; Almacenamiento de un Grupo de Proyectos. Cuando se tiene varios Archivos de diseños abiertos y se desea guardarlos todos juntos como un solo archivo, se debe presionar el sub-menú Archivo – Guardar grupo de Proyectos, los datos introducidos en cada pestaña abierta hasta el momento así como los resultados obtenidos en los cálculos, son almacenados en disco duro o unidad de disco seleccionado como un solo archivo de proyecto (dpvp). Si el grupo de proyectos ya tiene un nombre, éste se mantendrá modificando la información interna previamente almacenada. Si se trata de un grupo de Proyectos nuevo, el programa abrirá un cuadro de diálogo para que pueda escribir el nombre del archivo antes de guardarlo.
2.1.7. “Guardar Grupo de Proyectos Como”; Almacenamiento con otro nombre. Si se tiene un Grupo de Proyectos previamente guardado y se desea guardar las modificaciones con otro nombre para no alterar los datos almacenados en disco, o si se desea utilizar un Grupo de Proyectos anterior como plantilla para elaborar un proyecto nuevo, puede utilizarse el sub-menú Guardar Grupo de Proyectos Como, el mismo que permite almacenar la información del grupo bajo un nombre diferente, manteniendo intactos los datos originales que precedieron a la última operación de guardado.
2.1.8. “Vista previa de impresión”; Impresión en pantalla de datos, resultados y tablas. La selección del sub-menú Archivo – Vista previa de impresión despliega en pantalla toda la información del archivo de diseño activo tal cual se imprimirá, al cerrar la ventana de vista previa, se abre una nueva si existen tablas por imprimir.
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2.1.9. “Imprimir”; Impresión de datos, resultados y exportación. La selección del sub-menú Archivo – Imprimir, imprime toda la información del archivo de diseño activo.
2.1.10. Salir de DIPAV 2.0 Para concluir una sesión de uso del programa, puede seleccionarse el sub-menú “Archivo – Salir”. Alternativamente, se puede cerrar la ventana presionando el botón de cerrado de ventana de Windows en la parte superior derecha de la ventana. Si existen 2 ó más proyectos abiertos que han sido editados pero no guardados; DIPAV 2.0 preguntará si desea Guardarlos como Proyecto, Como Grupo de Proyectos ó salir sin guardar los últimos cambios realizados. Si solo existe un único proyecto abierto, DIPAV 2.0 preguntará si desea guardar los cambios o no. Al seleccionar no, se cerrará el programa sin guardar cambios y al seleccionar Cancelar volverá al programa sin salir.
2.2. MENÚ “HERRAMIENTAS” Esté menú contiene dos sub-menús: Configuración regional e Información llave de Funcionamiento.
2.2.1. Configuración Regional Es de suma importancia que antes de empezar a utilizar DIPAV 2.0 por primera vez, se configure el punto “.” como separación decimal y la coma “,” como separador de miles utilizando para esto el sub menú Configuración regional y haciendo clic en el botón “Configuración Adicional” El sub-menú Configuración regional, abre la configuración regional del sistema operativo que tenga instalado en su ordenador. La ventana de Configuración regional puede variar de acuerdo al la versión de sistema operativo (Windows Xp, Vista, 7, etc.) que tenga instalado en su ordenador.
2.2.2. Información llave de Funcionamiento Este sub- menú despliega información sobre la persona a la cual ha sido otorgada la llave de uso de DIPAV 2.0. Este sub-menú no se encuentra presente en la versión de DIPAV 2.0 que usa la llave física USB.
2.3. MENÚ “PROYECTO” Esté menú contiene tres sub-menús: Duplicar, Exportar Proyecto y Datos Generales.
2.3.1. Duplicar La función Duplicar permite duplicar el diseño activo al momento de hacer clic en el sub-menú, con el objetivo de tener dos diseños abiertos exactamente iguales. Esto permite mantener un diseño sin cambios y crear uno nuevo a partir de éste para poder hacer cambios en el mismo y así analizar como impactan en el diseño el cambio de diferentes variables. Pudiendo guardar posteriormente estos diseños individualmente o como proyecto. Al hacer clic en el sub-menú Duplicar, se abre el cuadro de dialogo Datos Generales que nos permite introducir datos generales como ser el nombre y dirección de la empresa o la entidad
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contratante y también datos específicos del diseño, el nombre, las progresivas, el CBR de diseño y cualquier otra información que el usuario considere importante para que aparezca en el reporte impreso. Éste cuadro de dialogo puede ser llamado también desde el Menú Proyecto, haciendo clic en el sub-menú Datos Generales. También se puede llamar a la función Duplicar haciendo clic en el botón Duplicar herramientas.
en la barra de
2.3.2 Exportar Proyecto DIPAV 2.0 al igual que su predecesor permite exportar los datos y resultados de un Proyecto a un archivo de Ms Word. Para realizar este procedimiento simplemente debe tener activa la pestaña del proyecto que desea exportar y hacer clic en el Menú Proyecto y seleccionar Exportar Proyecto. Se abrirá un cuadro de diálogo que le mostrará una vista previa de los datos a ser exportados y un botón Exportar para exportar a MS Word el Proyecto activo
2.4. MENÚ “AYUDA” El menú de ayuda permite desplegar la ayuda en línea (contenido del presente manual) y también obtener información adicional acerca de DIPAV 2.0, incluyendo la versión del programa.
3. BARRA DE HERRAMIENTAS A fin de facilitar el trabajo en DIPAV 2.0, acelerando el acceso a las principales funciones, el programa cuenta además con una Barra de Herramientas que se encuentra directamente debajo del menú, la misma que provee atajos para los sub-menús más utilizados. Presionar en el botón de la barra de herramientas tiene el mismo efecto que realizar la selección en el sub-menú correspondiente. La siguiente tabla muestra los botones de la barra de herramientas y la instrucción equivalente: Nuevo Abrir Proyecto Guardar Proyecto Abrir Grupo de Proyectos Guardar Grupo de Proyectos Configuración Regional Imprimir Duplicar Datos Generales
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Ayuda en línea Cerrar Pestaña Activa
Un método muy sencillo para encontrar la función de un botón de la barra de herramientas, consiste en descansar el apuntador en uno de los botones de la barra de herramientas por unos segundos. Aparecerá un cuadro que indica la función del botón cerca del apuntador.
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3 3 DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS 1. INTRODUCCIÓN El presente capítulo se refiere al diseño de pavimentos rígidos de hormigón en base a los procedimientos expresados en la Guía de Diseño AASHTO, versión 1993. Se asume que el usuario está familiarizado con los principios básicos del diseño de pavimentos rígidos presentados en dicha Guía.
2. CONCEPTOS SOBRE EL MÉTODO AASHTO Los métodos de diseño de pavimentos pueden ser clasificados como: Mecánicos cuando están basados en la mecánica del comportamiento de los materiales, especialmente bajo modelos de elementos finitos y módulos elásticos para la determinación de tensiones y deformaciones o Empíricos que se basan en el desempeño de pavimentos de acuerdo a mediciones y relaciones entre la incidencia de las cargas, factores climatológicos e indicadores de comportamiento de los pavimentos. Los modelos empíricos se empezaron a utilizar en los años 20, a través de la implementación de “tramos de prueba”, en los cuales se controlaba el comportamiento de distintos pavimentos sometidos a diferentes cargas, siendo el ensayo más completo el “AASHO (American Association of State Highway Officials) Road Test”. AASHO Road Test Este ensayo se realizó en Ottawa, Illinois entre 1956 a 1960. Su principal propósito fue la determinación de relaciones entre las cargas por eje y el desempeño de los pavimentos rígidos y flexibles, considerando distintas capas base; espesores; bermas, etc. El ensayo se desarrolló en seis circuitos, el primero de ellos para mediciones de efectos ambientales, no llevaba tráfico, el segundo llevaba sólo tráfico liviano y los otros 4, de mayor longitud contaban con dos sectores rectos uno con pavimento rígido y el otro con pavimento flexible, los que disponían de varias secciones de ensayo. Los sectores rectos denominados “Tangentes”, estaban conectados mediante dos curvas en las cuales no se realizaban mediciones. Las tangentes contaban con 2,070 m. Las tangentes sur y las curvas de conexión este eran de pavimento rígido y las secciones norte-oeste eran de pavimento flexible. Las secciones de pavimento rígido cambiaban cada 36.5 m y las de flexible cada 30 m, por lo que el ensayo contó en total con 368 secciones diferentes de pavimento rígido y 468 de pavimento flexible. Durante el tiempo que duró el ensayo, se midieron todas las variables que de una u otra manera podrían afectar al desempeño de pavimentos, además de procurar la obtención de correlaciones con equipos que medían los más diversos indicadores del desempeño. Esto generó una enorme
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cantidad de datos, utilizados por ingenieros y expertos en estadísticas para desarrollar una serie de ecuaciones para predecir el desempeño de pavimentos. Las primeras ecuaciones fueron puestas en consideración de los usuarios en 1962, revisadas y actualizadas en 1972. En 1981 se realizaron algunas correcciones, y en 1986 se efectuó una revisión extensiva que incluyó una cantidad de cambios, introduciendo además varios conceptos nuevos como el Nivel de Confianza, el análisis de costo del ciclo de vida, y la administración de pavimentos, además de un procedimiento para sobrecarpetas, que fue modificado en la Guía de 1993. Si bien existen diferentes tipos de pavimentos rígidos, que pueden clasificarse en pavimentos de hormigón simple con o sin barras pasajuntas; con refuerzo discontinuo en la losa y con refuerzo continuo, DIPAV en su versión 2.0 permite solamente el diseño de pavimentos de hormigón simple con o sin barras pasajuntas. Los pavimentos con refuerzo discontinuo se construyen para lograr un mayor espaciamiento entre juntas, aprovechando el refuerzo para mantener la posible fisuración unida, sin embargo, espaciamientos demasiado largos no siempre han tenido desempeños satisfactorios motivo por el cual son poco utilizados actualmente. Los pavimentos continuamente reforzados cuentan con una elevada cuantía de acero, han sido muy poco utilizados en Latinoamérica por su elevado costo y los cuidados especiales para su construcción, motivo por el cual el diseño del acero no ha sido considerado en la presente versión de DIPAV 2.0.
3. DISEÑO DE LOS ELEMENTOS DEL PAVIMENTO RÍGIDO El diseño de un pavimento rígido comprende los siguientes aspectos: •
Diseño del espesor de la losa de hormigón
•
Diseño de barras pasa juntas (si se requiere)
•
Diseño de barras de amarre (si se requiere)
•
Diseño del reservorio para el sello de junta (si se requiere)
•
Diseño de juntas en planta
Para realizar el diseño de todos estos elementos, se requiere conocer las distintas variables que intervienen en las ecuaciones de pavimentos rígidos de AASHTO. La principal ecuación, para la determinación del espesor se base en la siguiente fórmula: ΔPSI 0,75 log − 1,132 S ' C D C d 4.5 − 1.5 + 4,22 − 0,32p log logW = Z S + 7,35log(D + 1) − 0,06 + t 18 R o 0,25 1,624X107 k 1+ 215,63 J D0,75 − 18,42 (D + 1)8,46 E c
(
)
(3.1)
Referencia Guía de Diseño AASHTO Parte 1 – Sección 1.2
Esta ecuación, por su complejidad debe resolverse mediante iteraciones sucesivas para despejar el valor “D”, que corresponde al espesor de la losa. El significado de las variables y sus valores más utilizados se indican brevemente a continuación y para una profundización de las mismas, sugerimos consultar el Manual de Diseño antes mencionado.
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3.1. VARIABLES QUE INTERVIENEN EN EL DISEÑO: DIPAV 2.0 permite resolver la ecuación 3.1 y para ello la pantalla de diseño de pavimento rígido, requiere todos los datos de entrada que intervienen en la misma, vale decir: serviciabilidad inicial y final; módulo de ruptura del hormigón a los 28 días; módulo de elasticidad del hormigón a los 28 días; coeficiente de drenaje; coeficiente de transferencia de carga; valor efectivo del módulo de reacción del terreno “k”; nivel de confianza; desviación estándar global y el Número Acumulado de Ejes Equivalentes (ESAL). El resultado, mediante la solución por iteraciones de la ecuación indicada, es el espesor de la losa. La pantalla de diseño de pavimento rígido puede apreciarse a continuación:
Figura 3.1. – Ventana principal Pavimento Rígido A continuación se desglosa brevemente el significado de cada uno de los parámetros que intervienen en el diseño:
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3.1.1. Serviciabilidad Inicial La Serviciabilidad Inicial (P o ) es una medida de la suavidad del pavimento o facilidad de conducción inmediatamente después de la construcción. El concepto de Serviciabilidad o índice de servicio, nace como una calificación subjetiva del estado de la vía, aplicado originalmente en el ensayo de carreteras de AASHTO. Cada una de las secciones era calificada subjetivamente por los conductores profesionales que recorrían cada sección día y noche durante los dos años que duró el ensayo. La calificación de secciones se realizaba cada dos semanas. La serviciabilidad tiene un rango en una escala de 0 a 5. El valor 5 representa un pavimento perfectamente suave y 0 sería un pavimento por el cual no se puede circular. Ambos extremos no tienen un uso práctico. En este sentido, la escala representa distintos niveles de la calidad de rodadura de la vía. En la mayoría de los casos, la serviciabilidad inicial de un pavimento nuevo debería estar por encima de 4.0. El promedio de serviciabilidad inicial para pavimentos rígidos en el Ensayo de Carreteras de la AASHO fue 4.5, valor que es comúnmente utilizado para el diseño de pavimentos rígidos carreteros nuevos. El valor medido para pavimentos asfálticos fue de 4.2. En ausencia de valores medidos de diseño, es posible usar éstos para el diseño de pavimentos nuevos. El método de diseño de AASHTO está basado en una caída prevista de serviciabilidad, también conocida como ΔPSI, que ocurrirá a lo largo de la vida de servicio del pavimento a causa de las cargas de tráfico y solicitaciones medio ambientales. Mientras mayor sea el valor de ΔPSI, mayor será la durabilidad del pavimento. ΔPSI, es entonces la diferencia entre el valor inicial del índice de servicio del pavimento y el valor de serviciabilidad final o terminal, que corresponde al estado de un pavimento que requiere algún tipo de rehabilitación. Por este motivo, mientras mejor sea la calidad inicial de rodadura, el pavimento alcanzará mayor durabilidad, motivo por el cual deben realizarse todos los esfuerzos para alcanzar en obra una excelente calidad de rodadura.
3.1.2. Serviciabilidad Final La Serviciabilidad Final (P t ) es el índice de servicio mínimo aceptable del pavimento, antes de que requiera una rehabilitación. En contraste con la serviciabilidad inicial que se mide en base a los registros de construcción, la serviciabilidad final o terminal es una función de muchos factores, incluyendo clasificación del pavimento, volumen de tráfico y ubicación. Generalmente las vías de mayor tráfico requieren estar en mejores condiciones antes de rehabilitarse que los caminos vecinales de baja velocidad. Los valores típicos de serviciabilidad final recomendados por la Guía AASHTO en la Parte 1, sección 1.3 están entre 2 y 3, el primero para vías poco transitadas y el último para carreteras importantes. En el AASHO Road Test, se consideró que el nivel de deterioro que indicaba la falla del pavimento se daba con una serviciabilidad final de 1.5, valor que no debería alcanzarse al final de la vida de diseño a menos de que se trate de un caso muy especial en el que puede aceptarse un elevado nivel de deterioro al final de su vida útil.
3.1.3. Pérdida de serviciabilidad por efectos medioambientales El método AASHTO considera la pérdida de serviciabilidad por causas medioambientales, como por ejemplo suelos expansivos o susceptibles a congelamiento. Puesto que el ensayo de AASHTO solo tuvo una duración de dos años, los efectos medioambientales a largo plazo tienen una aplicación limitada.
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El apéndice G de la Guía AASHTO provee mayores recomendaciones para la consideración de estos efectos, mediante un proceso iterativo que, sin embargo, requiere de bastante tiempo y conocimientos sobre la permeabilidad de los suelos y los ciclos hielo-deshielo. Su aplicación no conlleva a incrementos muy significativos en los espesores del pavimento, motivo por el cual normalmente se tratan los casos de suelos expansivos o susceptibles a las heladas mediante procedimientos constructivos locales que los hagan más resistentes reduciendo su potencial destructivo.
3.1.4. Módulo de Ruptura Promedio del Hormigón a los 28 días El módulo de ruptura del hormigón (S´ c ) es el esfuerzo de tracción por flexión en la fibra extrema bajo la carga de rotura de acuerdo con el método de ensayo AASHO T-97 cuyo equivalente es ASTM C 78, ensayo que utiliza vigas prismáticas de 15x15cm de sección transversal, con una longitud de ensayo de 45cm y carga en los tercios centrales y se evalúa mediante la resistencia a los 28 días. Para establecer una correlación confiable con cilindros sometidos a la compresión, debe realizarse un estudio en cada caso ya que son altamente dependientes del tamaño y la forma de los agregados y del tipo de cemento, por este motivo, no se considera aconsejables derivar correlaciones flexión – compresión sin un estudio apropiado de laboratorio. El coeficiente de seguridad del método AASHTO, según se verá más adelante, se denomina “nivel de confianza”, y conlleva aspectos estadísticos de probabilidad, por tanto, el método establece el uso de resistencias promedio a los 28 días. En este sentido, debe haber una concordancia entre los valores utilizados para el diseño y los especificados para control de calidad.
3.1.5. Módulo Elástico Promedio de la losa a los 28 días La otra propiedad de calidad del hormigón requerida para el diseño es el Módulo Elástico, el mismo que se determina usando los procedimientos descritos en ASTM C 469. Es una medida de la rigidez del hormigón en respuesta a aplicaciones de carga. El diseño no es muy sensible a esta variable, motivo por el cual su valor puede ser estimado a partir de correlaciones con otros parámetros de resistencia del hormigón, como ser:
[
]
E c (kPa ) = 150,000 f c' (kPa )
[
E c (psi) =
(3.2)
]
E c (psi) = 57,000 f c' (psi) E c (kPa ) =
0 .5
0 .5
(3.3)
[
1, ,000,000 s 'c (kPa ) − 3,370 43.5
[
1, ,000,000 s 'c (psi) − 488.5 43.5
]
]
(3.4)
(3.5)
Donde: E c = Módulo Elástico promedio del hormigón. f´ c = Resistencia a la compresión S´ c = Módulo de ruptura del hormigón a los 28 días.
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Es importante recalcar que estos valores, típicamente situados en un rango entre 21,000 a 35,000 MPa, son simplemente una aproximación para efectos de diseño con un razonable margen de error. El valor promedio obtenido en el AASHTO Road Test fue de 29,000 MPa.
3.1.6. Coeficiente Global de Drenaje El agua atrapada por debajo de un pavimento es una de las principales causas de deterioro, ya que ocasiona una reducción de resistencia en los materiales no estabilizados y suelos de subrasante; bombeo de finos; tendencia al hinchamiento por congelamiento o expansión de la subrasante; pérdida de soporte y una mayor tendencia a los asentamientos. El control del bombeo de finos es muy importante para el éxito en el comportamiento de los pavimentos rígidos. Las condiciones que ocasionan este fenómeno son: Suelos finos en la subrasante; agua libre entre la losa y la subrasante; cargas pesadas frecuentes que originan fuertes deflexiones en la losa. El control de cualquiera de estos factores minimizará este fenómeno. Por este motivo, los drenes longitudinales de borde y las capas base drenantes, al reducir la influencia del agua, reducen la probabilidad de bombeo de finos. El uso de barras pasajuntas y sobreanchos en las losas también cooperan en la reducción del bombeo de finos al reducir las deflexiones originadas por las cargas pesadas, mejorando su desempeño. En el método de diseño AASHTO, el parámetro de drenaje se introduce a través del coeficiente de drenaje denominado: C d . Su efecto en el desempeño del pavimento es una función de la calidad del drenaje es decir el tiempo requerido para que el suelo alcance un cierto porcentaje de saturación y la cantidad de tiempo durante el año en que la estructura del pavimento está expuesta a niveles de humedad cercanos a la saturación. Depende del diseñador determinar los niveles relativos de cada uno de estos valores para las condiciones específicas que se consideren para el diseño. La calidad del drenaje depende de las permeabilidades de la base y los materiales de fundación, el diseño de las secciones transversales estructurales y de la presencia de drenes longitudinales de borde. El periodo de tiempo durante el año que el pavimento está expuesto a niveles cercanos a la saturación es una función de las características de precipitación y evapotranspiración inherentes al clima particular de la región. Las siguientes tablas de la Guía AASHTO proveen una guía para la selección del coeficiente de drenaje:
Porcentaje de tiempo en que el pavimento está sometido a niveles cercanos de saturación Calidad de Drenaje Excelente Bueno Regular Pobre Muy Pobre
Menos de 1 %
1 - 5%
5 - 25%
Más de 25%
1.25-1.20 1.20-1.15 1.15-1.10 1.10-1.00 1.00-0.90
1.20-1.15 1.15-1.10 1.10-1.00 1.00-0.90 0.90-0.80
1.15-1.10 1.10-1.00 1.00-0.90 0.90-0.80 0.80-0.70
1.10 1.00 0.90 0.80 0.70
Tabla 3.1. – Coeficiente de drenaje en relación al Porcentaje de tiempo que el pavimento está sometido a niveles de saturación y la calidad de drenaje
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Calidad de Drenaje
85% de saturación alcanzado en:
Excelente Buena Regular Pobre Muy pobre
2 horas 1 día 1 semana 1 mes el agua no drena
Tabla 3.2. – Calidad de drenaje en función al tiempo en que alcanza 85 % de saturación Ref:
Guía de Diseño AASHTO, Parte I, Sección 1.8 Guía de Diseño AASHTO, Parte II, Sección 2.4.1
El primer paso consiste en determinar el tiempo de drenaje para que la capa base y la subrasante alcancen un 85% de saturación, este valor debe considerar las condiciones de permeabilidad de los suelos, las pendientes longitudinal y transversal y la presencia de subdrenes. Una vez determinado el tiempo aproximado para alcanzar el 85% de saturación, puede estimarse de la Tabla 3.2 la calidad de drenaje esperado. Seguidamente, se debe estimar, en base a los registros pluviométricos de la zona, el tiempo en el cual la estructura del pavimento estará expuesta a niveles cercanos a la saturación (época de lluvias y períodos adicionales de lluvia que lleven al pavimento a niveles cercanos la saturación y épocas de deshielo que originen la saturación del pavimento), con estos datos, se puede ingresar a la Tabla 3.1 y obtener el coeficiente C d . Es importante destacar que el uso de un coeficiente de drenaje en el diseño del pavimento tiene gran importancia en el espesor del diseño, si bien el uso de valores de C d menores resultará en un espesor mayor de losas, no es un sustituto de un buen drenaje, motivo por el cual es mejor incorporar elementos de subdrenaje, como ser bases drenantes o subdrenes de borde en lugar de utilizar menores valores de C d evitando el uso de alternativas de drenaje. Pavimentos nuevos con valores C d menores a 1.0 no deberían construirse. El uso de bases drenantes es ideal para pavimentos rígidos, sin embargo, debe proveerse de una sub-base con una granulometría tipo filtro o un geotextil para evitar que los finos de la subrasante colmaten la base drenante y ocasionen un debilitamiento en la subrasante.
3.1.7. Módulo Efectivo de Reacción de la Subrasante “k” Puesto que las cargas son transmitidas al suelo de subrasante, las características de soporte del mismo son fundamentales para un adecuado diseño de pavimento rígido. El módulo efectivo de reacción de la subrasante (k), es la medida del soporte provisto para la losa de hormigón por las capas inferiores. Se denomina módulo efectivo de reacción de la subrasante porque considera el soporte provisto por todas las capas subyacentes: Base, subbase (si existiera) y subrasante, además de los cambios estacionales debido a la temperatura y humedad. La determinación del módulo de reacción del terreno se realiza a través del ensayo de placa (AASHTO T 235 ó ASTM D 1194). El ensayo de placa modela la subrasante como un conjunto de resortes en los que el valor “k” es análogo a la constante del resorte. La placa en contacto con el suelo de ensayo debe tener 30” de diámetro (762 mm). El valor “k” se obtiene al dividir la presión en la placa entre la deflexión medida bajo la misma. La capa colocada directamente por debajo de la losa debería llamarse “capa base”, ya que se constituye en la capa de apoyo, sin embargo, es también usual referirse a ella como “sub-base”,
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debido a que sus características normalmente no son tan exigentes como en el caso de la capa base de pavimentos flexibles y pueden ser similares a la sub-base del mismo. Tanto en el software así como el presente manual, el término a utilizar será “capa base”. En carreteras y avenidas importantes que soportan tráfico pesado, es siempre recomendable la colocación de una capa base que permita uniformar el apoyo de la losa, creando además una plataforma resistente para la construcción. Además, debe ser menos erosionable que el suelo de fundación y contar con una granulometría que permita reducir el bombeo de finos. (La mayoría de las recomendaciones indican porcentajes que pasen el tamiz 200 menores al 15% y CBR mayores a 40 ó 50%). La base también puede ser una de granulometría drenante, sin embargo, en este caso se debe prestar especial atención a la subrasante ya que puede ser necesaria una capa de granulometría “tipo filtro” o un geotextil para evitar el ascenso de finos de la subrasante que colmaten la base drenante debilitando la fundación. Para tráficos pesados, las bases pueden ser estabilizadas con cemento o inclusive de Hormigón Compactado con Rodillo, como se usan frecuentemente en Brasil y otros países. Estas capas requieren de un estudio previo de materiales y comportamiento estructural, especialmente si son muy rígidas. Una base rígida es beneficiosa por que proveerá un mejor soporte y menor bombeo de finos, de manera que es posible incrementar el valor de “k” por la presencia de dicha capa. Pero es un error correlacionar directamente el valor de CBR de la base o subrasante mejorada con un valor de “k” ya que se estaría sobre-estimando su aporte al conjunto de la estructura. La Guía AASHTO – 93 presenta procedimientos para incrementar el valor de “k” por efecto de la presencia de una base rígida y por la presencia de la roca madre si ésta se encuentra a escasa profundidad. Si se sigue este procedimiento, también debe realizarse la reducción de capacidad portante debido al factor de “pérdida de soporte” (loss of support), sin embargo, varios autores, entre ellos la ACPA (American Concrete Pavement Association) consideran que el procedimiento proporciona en inicio valores irreales excesivamente altos que luego son corregidos mediante el coeficiente de pérdida de soporte para obtener valores más razonables, sin embargo, castigando excesivamente los valores encontrados. En este sentido, AASHTO 97 indica que no se debería usar un factor de pérdida de soporte, ya que los pavimentos de AASHTO Road Test fallaron justamente por bombeo de finos, de manera que este efecto se encuentra ya en las ecuaciones de diseño. Las correcciones por efecto de base proporcionan valores irrealmente altos en relación con los medidos mediante estudios de deflexiones, motivo por el cual no se recomienda su aplicación directa. La determinación directa del valor de “k” mediante ensayos de placa es difícil y costosa, teniendo la desventaja de que normalmente se analiza el suelo en estado seco y sin considerar los efectos de la humedad. Debido a la poca sensibilidad del diseño de pavimentos rígidos al valor del coeficiente de soporte “k”, es permitido el uso de correlaciones derivadas de otras propiedades del suelo natural de fundación. Algunas de ellas son: k (kPa / m) = k (psi / in) =
Mr (kPa ) 0.493
Mr (psi) 19.4
(3.6) (3.7)
Por su parte, también es posible correlacionar el valor del Módulo Resiliente con el ensayo de CBR que es más conocido y fácil de ejecutar. AASHTO- 97 contiene la siguiente tabla de valores:
Cemento y el Hormigón
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Clasificación ASSHTO
Descripción
Clasif. S. U.
Suelos granulares: A-1-a, bien graduada Grava GW, GP A-1-a, mal graduada A-1-b Arena Gruesa SW A-3 Arena Fina SP A-2 Material granular con alto contenido de finos A-2-4 gravoso Grava Limosa GM Grava Areno A-2-5, gravoso Limosa A-2-4, arenoso Arena Limosa SM Arena Gravo A-2-5, arenoso Limosa A-2-6, gravoso Grava Arcillosa GC Grava Areno A-2-7, gravoso Arcillosa A-2-6, arenoso Arcilla Arenosa SC Arcilla Grava A-2-7, arenoso Arenosa Suelos finos: Limo Mezclas de A-4 ML, OL Limo/Arena/ Grava A–5 Limo mal graduado MH A-6 Arcilla plástica CL Arcilla Elástica A-7-5 moderadamente CL, OL plástica A-7-6 Arcilla muy plástica CH, OH
Densidad Seca (kg/m3 )
CBR (%)
Valor K (psi/in)
125 - 140
60 - 80
300 – 450
120 - 130
35 - 60
300 – 400
110 – 130 105 – 120
20 - 40 15 -25
200 – 400 150 – 300
130 - 145
40-80
300 – 500
120 - 135
20 – 40
300 – 400
120 - 140
20 – 40
200 – 450
105 - 130
10 – 20
150 – 350
90 - 105
4-8
25 – 165*
100 - 125
5 - 15
40 – 220 *
80 - 100 100 - 125
4-8 5 - 15
25 – 190* 25 – 255*
90 - 125
4 - 15
25 – 125 *
80 - 110
3–5
40 – 220*
Tabla 3.3. – Correlación entre el tipo de material, CBR y k Ref. Guía de Diseño Versión 1997; Tabla 11; Pág. 6 (*) El valor de suelos finos depende altamente de su grado de saturación.
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De manera gráfica, AASHTO - 97 presenta las siguientes correlaciones:
Figura 3.2. – Correlación entre el grado de saturación y k Ref. Guía AASHTO 97 Figura 40, Pág. 4 valor “k” versus grado de saturación para suelos cohesivos.
Cemento y el Hormigón
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Figura 3.3. – Relación entre CBR y valor aproximado de k Ref. Guía AASHTO 97 Figura 41, Pág. 7.
En caso de que se utilicen terraplenes altos con suelos mejores a los suelos de subrasante, es también posible incrementar el valor de “k” por presencia del terraplén, utilizando el ábaco mostrado en la Fig. 3.4, el cual también permite realizar correcciones si la profundidad de la roca madre es inferior a los 3.30 m (a todo lo largo del sector considerado). Estos aspectos deben manejarse con precaución y no han sido incorporados directamente en DIPAV a fin de que el diseñador tenga pleno control de los valores que adopta para el diseño. A continuación se reproduce el ábaco de la Guía AASHTO 97 que permite efectuar estas correcciones.
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Figura 3.4. – Ajuste del valor k por presencia de terraplén o fundación rígida. Ref. Guía de Diseño AASHTO 97, Fig. 43, Pág. 16.
En cuanto al incremento de “k” por la presencia de una capa base, este debe tratarse con cuidado, sin embargo, se presentan a continuación las tablas elaboradas en el documento “Bases y Subbases para Pavimentos de Concreto”, del Ing. Márcio Rocha Pitta, editado por la Asociación Brasilera de Cemento Pórtland como una guía. Es importante destacar que los valores corresponden en el caso de bases granulares con piedra partida y altos valores de CBR, de manera que no puede aplicarse directamente a bases de CBR medio con cantos rodados. Igualmente las bases de suelo - cemento corresponden a valores altos de manera que los resultados deben manejarse con precaución.
Cemento y el Hormigón
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Valor de soporte de subrasante
Valor soporte sobre el sistema estructural (MPa/m), para espesor de base iguales a:
CBR (%)
K (MPa/m)
10 cm
15 cm
20 cm
30 cm
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
16 24 30 34 38 41 44 47 49 51 53 54 56 57 59 60 61 62 63
19 27 34 38 42 45 48 52 54 56 58 59 61 62 64 65 66 67 68
22 31 38 42 46 50 53 56 58 60 62 63 65 66 68 69 70 71 73
27 37 44 49 53 56 60 63 65 67 69 70 72 73 75 76 77 78 79
33 45 54 59 65 69 72 76 79 81 84 85 87 88 91 92 93 94 96
Tabla 3.4. - Aumento de k debido a presencia de sub-base granular
Valor soporte de subrasante
Valor soporte sobre el sistema estructural (MPa/m), para espesor de base iguales a:
CBR (%)
K (MPa/m)
10 cm
15 cm
20 cm
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
16 24 30 34 38 41 44 47 49 51 53 54 56 57 59 60 61 62 63
50 69 81 90 98 103 109 115 119 122 126 128 131 133 137 139 140 142 144
66 91 108 119 130 138 146 153 158 163 168 171 176 178 183 185 188 190 192
89 122 145 160 174 185 195 205 212 218 225 229 235 239 245 248 251 255 258
Tabla 3.5. - Aumento de k debido a la presencia de sub-base de suelo cemento
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Valor soporte de subrasante
Valor soporte sobre el sistema estructural (MPa/m), para espesor de base iguales a:
CBR (%)
K (MPa/m)
10 cm
15 cm
20 cm
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
16 24 30 34 38 41 44 47 49 51 53 54 56 57 59 60 61 62 63
36 50 60 66 73 77 82 86 89 92 95 96 99 101 103 105 106 108 109
54 72 84 92 99 105 110 115 119 122 125 127 130 132 135 137 139 140 141
69 91 107 117 126 133 140 146 151 155 159 162 166 168 172 174 176 178 180
Tabla 3.6. –
Aumento de K debido a la presente de sub-base de suelo mejorado con cemento
Valor soporte de subrasante
Valor soporte sobre el sistema estructural (MPa/m), para espesor de base iguales a:
CBR (%)
K (MPa/m)
10 cm
12.5cm
15 cm
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
16 24 30 34 38 41 44 47 49 51 53 54 56 57 59 60 61 62 63
65 87 101 111 10 127 133 140 144 148 152 154 158 160 164 166 168 170 172
77 101 118 128 138 145 152 159 164 168 173 175 179 182 186 188 190 192 194
98 126 145 158 169 177 186 194 199 204 209 211 216 219 224 226 229 231 233
Tabla 3.7. –
Aumento de K debido a la presencia de base de hormigón compactado con rodillo
Cemento y el Hormigón
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Valor de soporte de subrasante
Valor soporte sobre el sistema estructural (MPa/m), para espesor de base iguales a
CBR (%)
K (MPa/m)
10 cm
12.5 cm
15 cm
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
16 24 30 34 38 41 44 47 49 51 53 54 56 57 59 60 61 62 63
22 32 40 45 50 55 55 63 66 69 72 73 76 77 80 82 83 85 86
30 44 55 61 69 75 75 86 90 95 98 100 103 105 109 111 113 115 117
47 53 66 74 83 90 90 103 108 113 118 120 123 126 130 132 135 137 139
Tabla 3.8. - Aumento de k debido a la presencia de sub-base de concreto asfáltico
Módulo de Reacción Estacional DIPAV 2.0, contiene adicionalmente las fórmulas necesarias para procesar el valor efectivo estacional de “k”, puesto que las condiciones del suelo varían a lo largo del año, dependiendo del contenido de humedad, congelamiento, deshielo y otros factores presentes en diferentes épocas. Es posible dividir los datos en hasta 24 periodos (dos por cada mes), de manera que se considere dentro del cálculo éstas variaciones y por tanto su efecto en el comportamiento del pavimento. Puesto que normalmente es difícil obtener datos estacionales, es posible realizar ensayos en condiciones representativas de humedad a fin de estimar las condiciones reales de la obra durante determinados períodos de tiempo. También podrían obtenerse datos de deflectometría en pavimentos cercanos en diferentes épocas del año para tener datos más confiables. Finalmente, el valor tradicional de CBR que se realiza en condiciones de saturación podría ser utilizado directamente para correlacionar valores por el lado de la seguridad. Ver la Guía de Diseño AASHTO Parte I, Sección 1.5. Para acceder a la pestaña que calcula el Módulo Estacional, simplemente haga clic en el botón “Calcular” situado al lado derecho del valor de “k” ó haciendo clic en la pestaña “Módulo” ubicada en la parte superior del formulario principal,. Se mostrará la siguiente pantalla:
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Figura 3.5. – Cálculo del módulo de reacción de la subrasante La Fig. 3.5 presenta una tabla con hasta 24 posibles valores, dependerá del usuario definir el número de datos que desea utilizar. El primer campo “Estación” es de tipo alfanumérico y puede tener cualquier nombre especificado por el usuario, normalmente debería utilizarse un período de tiempo (Ene-Abr; May-Ago; Sep-Dic) o cualquier otro. Internamente cada estación tiene la misma influencia dentro del cálculo, motivo por el cual debe tenerse el cuidado de utilizar estaciones de la misma duración y no necesariamente correspondientes a meses enteros. Para cada estación se debe establecer su Módulo Resiliente. El Programa utilizará los datos diferentes de cero. Es importante mantener el orden es decir introducir los datos a partir del período 1 y no colocar valores de cero en ninguna casilla. El programa únicamente utilizará los valores introducidos, de manera que no es necesario contar con 24 valores. De este modo, una vez que se presiona el botón “Calcular”, DIPAV 2.0 obtendrá el Módulo de Reacción del Terreno Estacional, valor que aparecerá directamente en la pantalla de datos para el diseño de espesor de losa. Si se presiona el botón “Exportar”, la planilla de cálculo será exportada a una hoja “Excel” en caso de que se requieran los datos para cálculos adicionales u otro tipo de tratamiento.
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El método AASHTO - 97 considera la capa base como una capa estructural y por tanto establece su aporte dentro del método de cálculo. AASHTO-93 permite el incremento de k por aporte de la capa base granular o estabilizada. El cual debe realizarse siempre con precaución para no producir valores de “k” irreales. El principal requisito para la construcción de un pavimento rígido es que la capa de apoyo sea uniforme, por este motivo debe exigirse una adecuada compactación de la subrasante (al menos 95% del T-180). La baja sensibilidad del diseño del pavimento rígido a esta variable no puede ser un pretexto para no compactar adecuadamente el terreno y la capa base. Se recomienda consultar la bibliografía del IBCH sobre aspectos constructivos.
3.1.8. Coeficiente de Transferencia de Carga El concepto de transferencia de cargas en las juntas transversales, se refiere a la capacidad de una losa de transferir una parte de su carga a la losa vecina. De este modo, una losa con el 100% de transferencia de carga será aquella que transfiera la mitad de su carga a la losa vecina, reduciendo por tanto sus tensiones de borde según se muestra en la Fig. 3.6. ∆=x
∆=x
∆=x
∆=0 Transferencia pobre = 0%
Transferencia excelente = 100%
Figura 3.6. – Transferencia de carga longitudinal Como puede apreciarse, para lograr una efectiva transferencia de cargas en sentido longitudinal, para tráficos pesados, especialmente en carreteras, se debe usar barras pasajuntas en todas las juntas transversales. En caso de no usarlas, lo cual es común en pavimentos urbanos de tráfico liviano, el sistema constructivo de vaciar todas las losas en una sola franja(,) permite que se desarrolle una fricción entre agregados gruesos en la zona de contacto en las juntas, para lo cual se recomienda espaciamientos de juntas no muy grandes a fin de reducir la apertura entre las juntas, mejorando este tipo de transferencia de cargas al tener los agregados un mayor contacto. Por otra parte, la capacidad de transferencia de cargas en el sentido transversal tiene una importante influencia desde el punto de vista del diseño, de manera que en sentido transversal, el uso de bermas de hormigón atadas, o sobreanchos (losas con parte de la berma maciza incorporada), tiene un efecto positivo en la reducción de esfuerzos en las losas. De acuerdo con estudios de deflexión elaborados por la American Concrete Pavement Association (ACPA), si se carga una losa sin barras pasajuntas en una esquina, se producirá una deflexión 5 veces mayor que si la carga se colocara en el centro de la losa. Esta misma deflexión sería 3 veces mayor si la esquina estuviera vinculada con la losa adyacente mediante barras pasajuntas. Este estudio muestra la importancia de utilizar sobreanchos y barras pasajuntas para tráficos pesados puesto que puede reducirse notablemente los esfuerzos de tensión en bordes y esquinas o bien optimizar el diseño reduciendo los espesores de diseño. Como se ha indicado, el desempeño de un pavimento mejora con la adición de barras pasajuntas y sobreanchos, factores que se toman en cuenta en el diseño a través del “coeficiente de transferencia de carga (J)” que permite considerar el apoyo lateral provisto en las esquinas de la losa; por los dispositivos de transferencia de cargas; interacción de agregados, y la presencia de bermas de hormigón vinculadas. Coeficientes de transferencia de carga más altos corresponden a menor soporte.
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Como una guía general para el rango de coeficientes de carga, mayores coeficientes deben ser usados con valores bajos de k; altos coeficientes térmicos y mayores variaciones de temperatura. La siguiente tabla provee recomendaciones para la selección de coeficientes de transferencia de carga:
Tipo de Pavimento Junta Sencilla y Junta Reforzada Continuamente Reforzada
Berma de Asfalto
Berma de Ho. Vinculada
Disp. de Transferencia
Disp. de Transferencia
si
no
si
no
3.2
3.8 - 4.4
2.5 - 3.1
3.6 - 4.2
2.9 - 3.2
N/D
2.3 - 2.9
N/D
Tabla 3.9. - Valores Recomendados del Factor “J” Ref. AASHTO Guía de Diseño Parte II. Sección 2.4.2
El diseño de pavimentos rígidos es sumamente sensible a esta variable y es importante su consideración en función de las características de clima, de suelo y condiciones generales de apoyo a fin de seleccionar un valor dentro de los rangos previstos. Los rangos inferiores de “J” son sólo aplicables si se tienen suelos muy duros y condiciones climáticas apropiadas. Las columnas que indican “Berma de asfalto” implican que no existe ningún soporte lateral, es por tanto aplicable a berma de tierra, losa suelta y separada de un cordón en calles etc. Mientras que “Berma de Hormigón” significa un sobreancho macizo de al menos 50 cm con acceso restringido; cunetas atadas; cordones vinculados a la losa o berma de hormigón vinculada propiamente dicha.
3.1.9. Nivel de Confianza Es un concepto probabilístico desarrollado en 1973 (Kher y Darter) que se ha incorporado en los procedimientos de AASHTO en 1986. La Guía de Diseño AASHTO, define al nivel de confianza (R) como la probabilidad (expresada como porcentaje) de que una estructura de pavimento sobreviva al tráfico del período de diseño. En este sentido, este factor se constituye en un coeficiente de seguridad probabilístico que toma en cuenta la probabilidad de variación de las predicciones de tráfico; predicciones de desempeño de los materiales; de las condiciones de apoyo y otras. En cierto modo, esta variable probabilística es una indicación del porcentaje del pavimento que estará en condiciones operativas al final de su vida de diseño. Es decir que si un pavimento se diseña con un 85% de confianza, se espera que el 85% del pavimento se encuentre en condiciones operativas y un 15% del mismo haya “fallado”, es decir que tenga algún tipo de deterioro presente antes de cumplir con su período de vida útil. A medida que los volúmenes de tráfico se incrementan, las consecuencias de la falla prematura de un pavimento se incrementarán también, motivo por el cual las rutas de alto volumen deben ser construidas con un mayor nivel de confianza que las carreteras con bajo volumen a fin de ofrecer menores probabilidades de falla y por tanto pavimentos más seguros para mayores tráficos. Recomendaciones generales para la selección de los valores de confianza son:
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Clasificación Funcional Interestatal y Otras Autopistas Arterias Principales Colectores Rutas Locales
Urbana
Rural
85.0 - 99.9 80.0 - 99.0 80.0 - 95.0 50.0 - 80.0
80.0 - 99.9 75.0 - 95.0 75.0 - 95.0 50.0 - 80.0
Tabla 3.10. - Nivel de Confianza Recomendado según nivel de Tráfico Ref. AASHTO Guía de Diseño Parte I. Tabla 2.2
3.1.10. Desviación Estándar Global La desviación estándar global considera la variabilidad estadística presente en las ecuaciones de diseño a causa de la variabilidad en los datos de diseño, incluyendo las propiedades de los materiales; del suelo de fundación, estimaciones de tráfico, condiciones climáticas y calidad de construcción. Lo ideal sería que, estos valores se determinen en base a mediciones reales en condiciones locales. El Apéndice EE de la Guía AASHTO proporciona una guía para desarrollar este valor, lo cual no es una tarea fácil. Sin embargo, en ausencia de mediciones, la Guía provee recomendaciones en función de las consideraciones del tráfico futuro de diseño. En caso de que el diseñador conozca de manera muy precisa las cargas y volumen de tráfico, puede utilizar valores menores, pero si no existe esta confianza y no se han utilizado balanzas para la determinación de cargas por eje ni estimaciones precisas debe utilizarse valores mayores. La Guía de Diseño AASHTO, en el caso de pavimentos rígidos presenta un rango entre 0.30 a 0.40, sin embargo, recomienda un valor de 0.34 para casos muy confiables y de 0.39 cuando no se tiene estudios muy profundos de tráfico y pesos por eje. Para el caso de pavimentos flexibles, el rango fijado por la norma varía entre 0.40 y 0.50, sin embargo recomienda valores entre 0.45 a 0.49 también dependiendo de la confianza que tenga el diseñador en su determinación de cargas y tráfico, comentando que los valores de 0.45 o menores únicamente deberían utilizarse si se dispone de mediciones precisas de tráfico y cargas. En ausencia de mediciones precisas el IBCH recomienda el uso de 0.39 para pavimentos rígidos y 0.49 para pavimentos flexibles.
3.1.11. Tráfico y ejes equivalentes simples de 80 KN (ESALS 18 kips) sobre el período inicial de desempeño. En el método AASHTO, los pavimentos se proyectan para que resistan un determinado número de cargas durante su vida útil. El tránsito está compuesto por vehículos de diferente peso y número de ejes. El efecto de estos ejes es acumulativo durante la vida del pavimento, ya que este fallará por fatiga a causa de un cierto número de repeticiones de cargas. Durante la realización del AASHTO Road Test, los especialistas desarrollaron el concepto teórico de comparar el daño que se originaba en una sección particular del pavimento a causa de diferentes configuraciones de ejes con el daño que produciría en esa misma sección un eje estandarizado al cual denominaron “Eje Equivalente Simple”, que en inglés se expresó como “Equivalent Single Axle Load” o ESAL. Por simplicidad a lo largo del manual y en el software se utilizará el término ESALs. De una manera simple, podríamos definir el número acumulado de ESALs como un valor que representa a la totalidad del tráfico considerando los diferentes tipos de vehículos, configuración de
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ejes y llantas, convertidos a un número equivalente de ejes simples cuyo peso es de 18,000 lb. (80 KN). En el ensayo de carreteras de AASHTO, el número total de ESALs estaba entre unos miles hasta 10 millones en el circuito más cargado. La transformación de ejes de distinta naturaleza y peso a ESALs es una tarea compleja, es necesario determinar los distintos tipos de eje (simple, tandem o tridem); su peso; el “daño relativo” que las cargas infringen al pavimento y además depende de las características del pavimento, el material en el que está constituido, su espesor así como la serviciabilidad final para la que se calcula. Un usuario experimentado que tiene una hoja electrónica para determinar sus ESALs, puede colocar directamente en DIPAV el valor acumulado para el período de diseño, sin embargo, el programa, proporciona una hoja electrónica muy útil para calcular el número acumulado de ESALs a partir de datos de tráfico, configuración y tipo de eje. Para usar esta tabla de cálculo son importantes los siguientes conceptos: 3.1.11.1. Factores Equivalentes de Carga El tráfico se convierte a ESALs simplemente multiplicando cada eje por un factor denominado “Factor Equivalente de Carga” FC. El factor equivalente de carga “FC”, es un valor numérico que expresa la relación entre la pérdida de serviciabilidad (o daño relativo) causada por una carga específica de eje y la producida por el eje estándar de 80 KN en el mismo pavimento. FC =
No. de ESALs de 80 KN que producen una pérdida de serviciabilidad No. de ejes de x KN que producen la misma pérdida de serviciabilidad
(3.8)
Por ejemplo, para producir una pérdida de serviciabilidad de 4,2 a 2,5 son equivalentes: 100,000 ejes simples de 80 KN 14,347 ejes simples de 133 KN Por tanto, se puede calcular el Factor Equivalente de Carga:
FC =
100,000 = 6.97 14,347
En otras palabras, el eje de 133 KN tiene un efecto de daño al pavimento 6.97 veces mayor al daño que ocasiona un eje de 80 KN. En este sentido, resulta obvio que el FC para un eje simple de 18,000 lbs (80 KN) es siempre 1.0 (daño relativo unitario) sin importar el tipo de pavimento. Cargas por eje menores a 80 KN producirán valores de FC menores a la unidad, mientras que cargas mayores producirán valores mayores a 1.0. Dado que cada tipo de pavimento responde de manera diferente a una carga, los FC cambian de acuerdo al tipo de pavimento. Es así que pavimentos rígidos y flexibles tienen diferentes FC, los cuales varían según el espesor de losa en pavimentos rígidos y el Número Estructural en pavimentos flexibles. Puesto que el valor mide el daño relativo promedio y considerando que la curva de desempeño de un pavimento serviciabilidad vs. Cargas también cambia, los FC serán diferentes según el nivel de serviciabilidad final adoptado. Los FC pueden ser calculados directamente por DIPAV, ya que se han programado las ecuaciones correspondientes, también pueden obtenerse los FC de las tablas del Apéndice D de la Guía AASHTO. Es fácil observar que los factores varían de manera exponencial y si se considera las cargas por eje máximas permitidas por la ley de cargas (en el caso de Bolivia para eje trasero
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simple 11 ton; tandem 18 ton y tridem 25 ton), se podrá observar que el daño que originan las sobrecargas es muy grande, y además causa de falla prematura en muchas carreteras. Es importante explicar que las ecuaciones de pavimentos rígidos y flexibles son diferentes y por tanto los FC también lo son. Normalmente los FC de pavimento rígido son mayores que los de asfalto en estructuras más o menos equivalentes para cargas mayores a 80 KN, este es un indicativo de que se requiere más tráfico en pavimentos rígidos para causar la misma pérdida de serviciabilidad que en un pavimento flexible. En todo caso, es importante calcular siempre el número de ESALs para cada pavimento por separado, utilizando la misma configuración de vehículos y cargas por eje. 3.1.11.2. Cálculo de ESALs Para calcular los ESALs con DIPAV 2.0, se debe presionar el botón “Calcular ESALs” que se encuentra en la parte inferior derecha de la pestaña principal de diseño de pavimentos ó hacer clic en la pestaña “ESALs” situada en la parte superior del formulario de diseño al lado de la pestaña ”Módulo”. De manera previa es necesario definir la serviciabilidad inicial y final del pavimento, ya que esta última es necesaria para el cálculo. Al entrar a la pestaña de Calcular ESALs, se presentan dos sub pestañas: Cálculo del TPDA y Cálculo de Factores Equivalentes Vehiculares (FC). Antes de realizar cualquier cálculo, en la parte inferior de la sub pestaña Cálculo del TPDA se debe dimensionar la tabla para el cálculo de la TPDA, introduciendo en la parte inferior derecha la cantidad de años para los cuales se tiene la información y la cantidad de tipos de vehículos que se tiene para cada año. Se debe hacer clic en el botón Aceptar y la tabla quedara dimensionada. Luego se debe introducir un valor de espesor de losa en pavimento rígido, (o el número estructural en el caso de pavimento flexible). Esto parece un contrasentido ya que justamente este es el valor a determinar, sin embargo, el proceso puede ser iterativo en cuanto a la determinación de ejes equivalente, de manera que se requiere un valor aproximado de inicio a juicio del diseñador a fin de que se pueda determinar los FC y se calculen los ESALs. Una vez determinado el espesor real de la losa (o el número estructural en caso de pavimento flexible), se puede volver a calcular los ESALs ya con el valor correcto de espesor de losa o número estructural. Sin embargo, puesto que los FC no tienen una sensibilidad muy grande a este valor, usualmente esta iteración no proporcionará valores muy diferentes a los inicialmente calculados. El otro dato requerido en la parte inferior de la sub pestaña Cálculo del TPDA es el porcentaje de tráfico que circulará por el carril de diseño. Es importante aclarar que el TPDA (Tráfico Promedio Diario Anual) corresponde al valor total del tráfico que circula en ambas direcciones de una carretera en un día promedio, de modo que si se tiene una carretera de únicamente dos carriles (uno por sentido de tráfico), podría introducirse el valor de 50%, es decir que la mitad de tráfico circula en cada sentido, sin embargo, en carreteras que típicamente van más cargadas en un sentido (por ejemplo en zonas agrícolas o mineras) se prefiere utilizar el valor de 60%. En caso de que se trate de una carretera de cuatro carriles (dos por sentido), la Guía AASHTO en la Sección II, título 2.1.2 recomienda tomar primero un factor por sentido de tráfico (50 a 60%) y afectarlo por un valor entre el 80 al 100% dependiendo de las condiciones particulares de la vía (altas pendientes o un gran porcentaje de vehículos livianos implican que el 100% de camiones circule por el carril de bajo tráfico), en este caso el valor a introducir en el programa estará entre el 40% al 60% dependiendo del criterio del diseñador y las condiciones reales de la vía.
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La tabla de vehículos tiene la posibilidad de contar con 29 distintos tipos para el cálculo de Ejes Equivalentes, los mismos están simplemente numerados como Tipo 1, Tipo 2, etc., pero este nombre puede ser modificado simplemente presionando el botón “Tipo de Vehículos”, esto abre un cuadro de diálogo en el que se pueden re-nombrar todos los tipos de vehículos en función a las necesidades del usuario, vale decir: Livianos; Camiones; Buses; etc. El cambio de nombre afectará tanto al TPDA así como al cálculo de ejes equivalentes. Al igual que en DIPAV 1, DIPAV 2.0 permite pegar en la tabla de cálculo del TPDA, los datos copiados de una hoja de cálculo MS Excel. Para ello, simplemente seleccione las celdas deseadas en Excel, presione CTR-C (manteniendo presionada la tecla “control” presione “C”) y para pegar los datos en DIPAV 2.0 presione CTR-V. La opción de copiar-pegar con el botón derecho del Mouse no está habilitada para trabajar dentro de DIPAV 2.0 pero pueden copiarse utilizando el teclado, celdas de una hoja DIPAV 2.0 a otra o dentro de la misma tabla.
Figura 3.7. – Cálculo del TPDA
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Figura 3.8. – Cuadro de diálogo “Tipo de Vehículos”
3.1.11.3. Cálculo del TPDA Para el cálculo del número acumulado de vehículos en el período inicial de desempeño, DIPAV 2.0 presenta la tabla mostrada en la Fig. 3.7. Se deben introducir los valores del Tráfico Promedio Diario Anual para cada tipo de vehículo que se especifique. También se debe colocar los años a los que estos valores representan. Se pueden introducir hasta 40 años. 3.1.11.4. Cálculo de Factores Equivalentes Vehiculares (FC). DIPAV 2.0 contiene programadas las fórmulas para obtener los FC de acuerdo al peso de cada eje y su configuración según se detalla en 3.1.11.1. La forma de introducir los datos es la siguiente: En la sub-pestaña “Cálculo de Factores Equivalentes Vehiculares (FC)” (ver fig. 3.9), en la parte superior existe una fila que indica “Nomenclatura” que cuenta con cuatro celdas para cada tipo de vehículo. La “Nomenclatura” corresponderá a la configuración de ejes del vehículo, de manera que debe colocarse los siguientes valores numéricos: 1 - Para eje simple 2 - Para eje tandem 3 - Para eje tridem El eje delantero debe ubicarse siempre como el primero, en el caso de que el número de ejes sea menor a cuatro, se deben dejar las celdas restantes en blanco. De este modo, DIPAV 2.0 permite el cálculo de vehículos de hasta cuatro ejes, o bien vehículos de dos ejes con un acoplado de otros dos ejes. Sin embargo, si se requiere casos especiales con un mayor número de ejes, podría dividirse el vehículo y utilizar dos celdas. Las siguientes cuatro filas requieren como dato el peso de cada eje especificado en la fila “Nomenclatura”. Las cargas deben introducirse en toneladas.
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Finalmente, puesto que los Factores Equivalentes vehiculares dependen del desempeño mismo del pavimento, se debe verificar que se ha introducido un valor del espesor de losa estimado, para el caso de pavimento rígido o bien el número estructural estimado para el caso de pavimento flexible, el cual puede ser modificado una vez que se calcule el valor real mediante DIPAV 2.0. Estos aspectos se detallaron previamente en 3.1.11.2 Cálculo de ESALs. En las celdas indicadas a continuación, DIPAV 2.0 muestra los valores de los factores equivalentes calculados para cada uno de los ejes. Para ello se debe presionar el botón “Calcular” Ubicado en la parte inferior del formulario. Esta acción permite además calcular la suma total de vehículos por cada tipo, para lo cual DIPAV los multiplica por 365 (para considerar el acumulado anual), en base a ello, calcula el valor total de ejes equivalentes que solicitará la carretera. Una vez revisados y aceptados los valores, se puede presionar el botón “(Volver)”, acción que regresa a la pantalla principal de diseño del pavimento copiando el valor de ejes equivalentes recientemente calculado. Alternativamente se puede volver haciendo clic en la pestaña Rígido. La fig. 3.9 muestra el cálculo de ejes equivalentes.
Figura 3.9. – Matriz para el cálculo de factores equivalentes vehiculares Cemento y el Hormigón
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Si usted no puede visualizar correctamente los datos contenidos en una tabla, bastará con hacer doble clic en el borde derecho de la columna para que ésta se autoajuste al contenido.
3.1.12. Cálculo del Espesor de Losa. Una vez introducidos todos los datos, en la pestaña Rígido, al presionar el botón:”Calcular”, DIPAV 2.0 obtendrá como resultado del proceso el espesor de la losa de hormigón. En un pavimento rígido, esta es la capa que se espera que soporte la mayor parte de la carga, el uso de una capa base y mejoramientos que podrían ser necesarios por condiciones de drenaje, protección contra heladas, control de suelos expansivos y otros debe analizarse aparte, pero puede ser presentada en DIPAV 2.0 haciendo clic en la sub-pestaña Información Adicional, según se detalla a continuación en el subtítulo 3.2.
3.1.13. Cálculo de ESALs que pueden ser resistidos dado un determinado espesor de Losa. Ésta es una función nueva en DIPAV 2.0 que nos permite calcular los ESALs que pueden ser resistidos dado un determinado espesor de losa, para realizar dicho cálculo bastará en hacer clic en el botón de radio ESALs situado en la parte inferior izquierda de la pestaña principal de diseño de Pavimento Rígido. La casilla Número de ejes equivalentes queda deshabilitada y la casilla Espesor de Losa queda habilitada para que introduzcamos el espesor de losa para el que deseamos calcular cuántos ESALs resistirá y hacemos clic en el botón calcular. Esto nos dará el número de ESALs para el Espesor de Losa ingresado. Adicionalmente existe un nuevo botón “Borrar todo” que sirve para limpiar todos los datos del formulario principal. Haga clic en éste si desea borrar todos los datos introducidos en el formulario principal.
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Figura 3.10. – Cálculo de ESALs que pueden ser resistidos dado un determinado Espesor de Losa
3.2. OTRAS CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO Existen diversas características de los pavimentos rígidos que no forman parte del diseño estructural del espesor de losa, pero son importantes para su desempeño y por tanto requieren una mayor atención, estas son: acero en juntas transversales y longitudinales, dimensiones y características del sello de juntas y espaciamiento entre juntas transversales. Haciendo clic en la pestaña “Información Adicional” se puede detallar los siguientes elementos que se describen a continuación:
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Figura 3.11. – Información adicional de pavimento rígido ”Tipo de Capa Base”, es un campo de información alfanumérico para colocar el material de la base, su valor de CBR y cualquier otra descripción relativa a esta capa. Para detallar el espesor de la base se ha destinado un campo específico. Ambos campos se imprimen en el reporte pero no son necesarios para el cálculo ya que la influencia de la base estaría implícita en el módulo de reacción del terreno “k”. En caso de que el pavimento requiera la colocación de barras pasajuntas, (de acuerdo a la sección 3.1.8), se puede utilizar las siguientes cuatro casillas para introducir información acerca de las mismas. El diámetro de las barras, si bien aparece solo como información puede ser calculado de una manera muy sencilla. La guía AASHTO en la Parte II, 2.4.2., simplemente recomienda utilizar un diámetro igual o mayor a 1/8 del espesor de la losa. El espaciamiento también se encuentra normalizado en 30 cm y la longitud típica de barras es de 45 cm. En casos especiales estos valores pueden ser modificados pero se requiere mayores criterios de diseño para hacerlo. La casilla “Revestimiento de barras pasajuntas” se utiliza para especificar el tipo de recubrimiento que deben tener las barras pasajuntas. Normalmente, para ello se especifica pintura anticorrosiva epóxica y una capa delgada de antiadherente. Existen también barnices que a la vez confieren un
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efecto antiadherente y anticorrosivo a las barras. Todos estos aspectos pueden detallarse en esta casilla. La casilla “Separación entre juntas transversales” es muy importante, puesto que es una propiedad estructural. Su determinación se basa en las tensiones que causarían fisuras intermedias en la losa. Los factores importantes a considerar incluyen el coeficiente térmico de contracción del hormigón (el cual depende primordialmente del tipo de agregado grueso usado); el gradiente térmico local; la resistencia friccional entre la losa y la base (que depende del tipo de base, sus condiciones de terminado y si existe o no imprimación) y la resistencia a tracción del hormigón. Es importante considerar experiencias previas con materiales similares y prácticas de construcción. Como una regla general de AASHTO, para hormigón simple con juntas, el espaciamiento no debe exceder 24 veces el espesor de la losa. Por otra parte, la relación entre la longitud de la losa al ancho no debe exceder 1.25. Por tanto el espaciamiento máximo entre juntas para una losa de 25 cm de espesor y de 3.7 m de ancho debería ser 6 m por el primer criterio y 4.6 m por el segundo criterio. En todo caso también debe tenerse presente las condiciones climáticas, el tipo de base y la existencia o no de barras pasajuntas. El IBCH recomienda no utilizar espaciamientos mayores a 4.50 m ni anchos superiores a 4.15 m. El valor que se introduce en esta casilla es importante para realizar el cálculo de la apertura de juntas y el diseño de reservorio para el sellador. Ref. Guía de Diseño AASHTO Parte II. Sección 3.3.3.
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3.2.1. Diseño de Barras de Amarre en la Junta Longitudinal
Figura 3.12. – Diseño de barras de amarre Antes de acceder a esta opción se deben llenar los valores de espesor adoptado y separación entre juntas transversales en la pestaña “Información Adicional”. Las barras de amarre de acero corrugado se colocan entre carriles, de manera perpendicular a la junta longitudinal para que la misma no se separe con el tiempo. También se utiliza para vincular una berma de hormigón al carril contiguo. Estas barras se colocan en el hormigón fresco hincadas por equipo deslizante o bien a mano en caso de utilizar moldes. Algunos diseñadores indican que no debería vincularse más de 12 m de ancho de pavimento, es decir cuatro carriles. En los casos de pavimentos urbanos que estén confinados mediante bordillos o cunetas adecuadamente anclados a la subrasante, las barras de amarre pueden obviarse, sin embargo, en el caso de curvas cerradas, por ejemplo, donde la acción de la fuerza centrífuga añade un importante esfuerzo horizontal en las losas, estas barras deberían utilizarse de todos modos. Para determinar tanto el espaciamiento entre barras así como su longitud, de acuerdo con la Guía AASHTO, Parte I. Sección 1.6.2, se requiere definir el diámetro de la barra; la resistencia
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característica del acero; la distancia desde la junta longitudinal al borde libre más próximo (es decir el ancho de la losa de borde); el espesor de la losa; el factor de fricción; y el porcentaje de diseño de tensión de fluencia para la barra de acero de amarre. Estos factores se detallan a continuación: 3.2.1.1. Factor de Fricción Es una medida de la resistencia de fricción entre la parte inferior de la losa y la parte superior de la capa de apoyo subyacente, ya sea base o subrasante. Los valores recomendados para distintos materiales de capa de apoyo se presentan en la siguiente tabla:
Material Bajo la Losa
Factor de Fricción
Tratamiento superficial Estabilización con Cal Estabilización asfáltica Estabilización con Cemento Grava de Río Piedra Partida Arenisca Subrasante Natural
2.2 1.8 1.8 1.8 1.5 1.5 1.2 0.9
Tabla 3.11. – Factor de fricción para materiales bajo la losa de pavimento rígido Ref.
AASHTO Guía de Diseño Parte II. Sección 2.5.1.
3.2.1.2. Calidad de Acero Se refiere al límite de fluencia del acero que se utilizará para barras de amarre, expresado en MPa. En los casos en los que se realiza la construcción carril por carril las barras de acero están expuestas a golpes y dobladuras, motivo por el cual es preferible el uso de aceros naturales más dúctiles, por tanto de límite de fluencia de 400 MPa es típicamente utilizado para este fin. El coeficiente de seguridad que evita que el acero sufra tensiones excesivas o deformaciones plásticas es el porcentaje de resistencia a la tracción descrito en 3.2.1.5. 3.2.1.3. Diámetro de las Barras Los diámetros preferidos para pavimentos rígidos son 16 y 12 mm, el primero para losas gruesas y donde se espera un mayor número de vehículos pesados que se cambien de carril constantemente (por ej. en vías de cuatro carriles). En el país se ha utilizado normalmente el diámetro de 12 mm. En pavimentos urbanos de bajo tráfico podría utilizarse inclusive 10 mm de manera excepcional. El acero de amarre debe ser siempre corrugado, como sugerencia constructiva, la parte central de la barra (unos 15 cm) debe ser pintado con pintura anticorrosiva ya que, aunque en menor grado que el acero de barras pasajuntas transversales, está sujeto a condiciones de corrosión. El método de diseño sugerido por DIPAV 2.0 requiere que el diseñador defina el diámetro. 3.2.1.4. Distancia al Borde Libre La distancia al borde libre más cercano es la distancia desde la junta longitudinal que se analiza al borde libre de la losa, en otras palabras sería el ancho de la losa o losas hasta el borde del hormigón. Esta distancia se introduce en metros.
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3.2.1.5. Porcentaje de Resistencia a la Tracción Es el coeficiente de seguridad que reduce la tensión del acero para evitar la aparición de fluencia en el mismo y por tanto la apertura de la junta longitudinal, este valor típicamente es de 75%, sin embargo podría variarse en función a la mayor o menor seguridad que se desee. 3.2.1.6. Separación entre barras de amarre Como un primer resultado, se determina el espaciamiento entre barras de amarre en base al espesor de la losa, calidad del acero y el diámetro de la barra de amarre. El peso específico del hormigón se asume como 2,300 Kg/m3. Si se desea usar un peso unitario diferente de 2300 kg/ m3, aplique la siguiente corrección: As (nuevo) = As (calc) x Peso Unitario Nuevo [Kg/m3]/ 2,300
(3.9)
Sin embargo, este valor no tiene una incidencia muy significativa. Por otra parte, se recomienda un espaciamiento máximo de 1.20 m. Adicionalmente, es importante el criterio del diseñador para que se utilice siempre un número entero de barras por losa para que no coincida una barra de amarre en la misma posición de las barras pasajuntas, de modo que el valor de cálculo debe modularse de acuerdo a la longitud de las losas. 3.2.1.7. Longitud de Barras de Amarre El segundo resultado se determina en función de la longitud de anclaje que requiere la barra para no fallar por deslizamiento, por este motivo para las barras de amarre siempre se utiliza barras corrugadas. La longitud calculada por DIPAV 2.0 es la mínima requerida, de manera que esta debería redondearse a un valor práctico mayor al indicado.
3.2.2. Reservorio de la Junta y Diseño de Sellador Esta opción permite el diseño del reservorio para alojar el material de sello de la junta transversal que es un elemento muy importante en el diseño de pavimentos rígidos. Un reservorio de junta adecuado ayudará a asegurar el desempeño apropiado del sellador a lo largo de la vida del pavimento. Los datos que se requieren para dimensionar el reservorio son: el coeficiente de retracción térmica del hormigón, el rango de temperatura estimado desde el momento de la colocación del hormigón a una temperatura mínima promedio, el coeficiente de retracción por secado del hormigón y un factor de fricción losa-base (diferente del coeficiente de rozamiento).
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Figura 3.13. Diseño de reservorio de juntas y sellador Las propiedades requeridas son: el material del sellador, su deformación admisible y el factor de forma aplicable, el espaciamiento de juntas transversales (que ha sido introducido en la pestaña Información Adicional según se detalló en 3.2). A continuación se analizan en detalle estos datos. Los resultados a obtener serán el ancho mínimo recomendado de la abertura de juntas y la profundidad a la cual se debe colocar el sellador, sin embargo, en algunos casos estos valores pueden ser menores a los mínimos especificados por el fabricante, en este caso deberán usarse estos últimos. 3.2.2.1. Coeficiente de Expansión Térmica del Hormigón El coeficiente de expansión térmica del hormigón es una medida del cambio de dimensiones del material cuando está sujeto a variaciones de temperatura. El coeficiente de expansión térmica depende de factores como la relación agua cemento, la edad del hormigón, el contenido de cemento y la humedad relativa del ambiente, sin embargo, el tipo de agregado grueso en la mezcla tiene el mayor impacto en este coeficiente. Algunas guías para estimar este valor, en base a diferentes tipos de agregado grueso se presentan a continuación. Debe notarse que este cuadro está bajo revisión y debe usarse con precaución.
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Tipo de Agregado Grueso Cuarzo Arenisca Grava Granito Basalto Caliza
Coeficiente de Expansión Térmico 10-6 mm/mm/ºC (10-6 pg/pg/ºF) 11.91 (6.6) 11.7 (13.5) 10.8 (6.0) 9.5 (5.3) 8.6 (4.8) 6.8 (3.8)
Tabla 3.12. – Coeficiente de expansión térmica en función al tipo de agregado grueso Ref. AASHTO Guía de Diseño Parte II. Sección 2.5.2. y Tabla 2.10.
3.2.2.2. Rango de Temperatura de Colocación del Hormigón a una Temperatura Mínima El rango de temperatura que se requiere para el cálculo de la apertura de juntas es la diferencia entre la temperatura al momento de vaciado del hormigón y la mínima promedio en la zona del proyecto. Este rango permite estimar el acortamiento de la losa. 3.2.2.3. Coeficiente de Retracción por Secado de la Losa de Hormigón La retracción del hormigón se debe a la evaporación paulatina del agua de la mezcla, que origina también un cambio en su longitud. Depende del contenido de cemento; los tipos de mezclas y agregados utilizados; el uso de aditivos; el contenido de agua; el método y condiciones de curado y los distintos tipos de agregados, se requiere estimar un valor de retracción a los 28 días. En ausencia de mayores datos, se presenta a continuación un valor de retracción estimado en base al esfuerzo de tensión indirecto, cuyo ensayo se realiza bajo ASTM C 476. Como un valor aproximado, puede considerarse que la resistencia a la tracción indirecta estará en el orden del 86% del módulo de ruptura S´ c . Tensión Indirecta 28 días Esfuerzo en KPa (psi)
Retracción, mm/mm o pg/pg
menor a 2,100 (300) 2.800(400) 3.400(500) 4.100(600) mayor a 4.800 (700)
0.0008 0.0006 0.00045 0.0003 0.0002
Tabla 3.13. Retracción en función a la resistencia a la tensión indirecta Ref. AASHTO Guía de Diseño Parte I. Sección 2.5.2. y Tabla 2.9.
3.2.2.4. Coeficiente de Ajuste por Fricción entre Losa y Subbase Con los valores hasta ahora presentados se podría considerar que la losa puede moverse libremente, sin embargo, al existir una cierta fricción con la capa subyacente, se requiere utilizar un factor de ajuste que considere la restricción al movimiento en la junta transversal. Los valores recomendados son simplemente 0.65 para una base estabilizada (como ser una base tratada con cemento u hormigón pobre), y un valor de 0.80 para una base granular. Ref. Guía de Diseño AASHTO Parte II. Sección 3.3.3.
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3.2.2.5. Tipo de Sellador Existen tres categorías de materiales para sellar juntas transversales que se pueden especificar: bituminosos; silicona y materiales preformados. Todos los materiales comúnmente usados caen en una de las siguientes categorías: Selladores Bituminosos Los selladores en base a petróleo son una familia de materiales de sellado, termoplásticos moldeados en la obra, que pueden ser aplicados en caliente o en frío, pueden ser modificados con una variedad de productos, incluyendo fibras, goma y polímeros. Su vida útil está entre 5 a 10 años dependiendo del producto. Deben cumplir con las normas ASTM D1190, D3405, D3406 y D1850. Silicona o Poliuretano Los selladores de silicona se aplican en frío, son materiales termoajustables que tradicionalmente, han requerido de herramientas después de colocados para lograr una forma adecuada, sin embargo, actualmente existen selladores autonivelantes que no requieren de herramientas para su formado. La durabilidad de este tipo de productos varía entre 10 a 15 años. Selladores Preformados Selladores de juntas preformados, fabricados en base a neopreno, goma u otro material sintético, tienen un diseño de sección transversal que mantiene el sellador comprimido en la junta, otros selladores requieren de la aplicación de un pegamento o de un lubricante. Los selladores de base bituminosa, silicona o poliuretano, se moldean en obra y para el diseño del sellador se requiere conocer su deformación admisible, normalmente se diseñan a la tracción y con este dato se puede determinar el ancho del reservorio de la junta. Con el factor de forma recomendado se puede determinar la profundidad del reservorio. Deformación Admisible del Sellador La deformación admisible del sellador es un valor especificado por el fabricante y toma en cuenta las características específicas de tracción del material de sello. Esta información normalmente está disponible en las cartillas de cada producto. Un valor típico para un sellador en base a petróleo es de 0.25 y para selladores de silicona o poliuretano es de 0.50. El valor representa el porcentaje al cual se puede elongar el material de sello. Este concepto no es aplicable a selladores preformados puesto que ellos se introducen comprimidos dentro de la junta. Ref. Guía de Diseño AASHTO Parte II. Sección 3.3.3. Factor de Forma del Sellador Es la relación recomendable entre la profundidad y el ancho y (P/A) del sellador. Para selladores en base a petróleo esta relación varía entre 1:1 hasta 2:1, es decir que la profundidad dentro de la caja del sellador puede variar entre una a dos veces el ancho. Para selladores de silicona o poliuretano, estos valores varían en función del fabricante siendo la más común de 1:2. Este factor debe ser introducido en el programa como un decimal (0.5 para un factor de forma de 1:2). Es importante revisar siempre la cartilla de recomendaciones del fabricante, puesto que existen valores mínimos recomendados tanto para el ancho así como para el espesor. Otros productos también cuentan con factores de forma recomendados por el fabricante.
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3.2.2.6. Apertura de la junta La apertura calculada de la junta corresponde al valor máximo esperado en una junta de contracción que ocurre a la temperatura mínima promedio, de acuerdo con la Guía de Diseño AASHTO Parte II. Sección 3.3.3. Ese valor de la apertura se utiliza para determinar el ancho requerido del reservorio del sellador. 3.2.2.7. Ancho del Reservorio de Junta El ancho mínimo recomendado para el reservorio de la junta es una función de la apertura calculada de la junta y de la deformación admisible para un sellador específico. Se calcula al dividir la apertura de la junta entre la deformación admisible del sellador. 3.2.2.8. Espesor mínimo del sello Es el espesor mínimo calculado en la parte central del sellador, es decir que en ningún lugar del reservorio debería existir un espesor menor. Este valor se calcula al multiplicar el ancho del reservorio de la junta por el factor de forma del sellador. Es importante referirse a las especificaciones del proveedor del material ya que, especialmente cuando se utilizan juntas próximas los valores mínimos recomendados pueden resultar mayores a los calculados. Usualmente el ancho mínimo para la apertura de juntas es de 6mm. 3.2.2.9. Profundidad Mínima del Sello Se refiere a la profundidad que debe tener el material del sello en la parte central de la junta. Este valor se calcula mediante el factor de forma y se refiere únicamente al material del sello de juntas. Cuanto se utilizan espaciamientos cortos y bajos rangos de temperatura, tanto la apertura como la profundidad pueden estar fuera de los límites prácticos, por este motivo es importante revisar las recomendaciones de los fabricantes antes de adoptar un valor. 3.2.2.10. Profundidad Mínima de Corte de Ampliación Se refiere a la profundidad total de ampliación para alojar el material del sello de juntas y la tira de respaldo denominada en inglés “backer rod”. Esta tira de respaldo, de sección circular es un material fácilmente compresible que permite reducir el volumen de sellador requerido evitando que éste se adhiera a la parte inferior, de manera que el sello trabaje únicamente a tracción o compresión. Cabe aclarar que inicialmente se realiza un corte de plano de debilitamiento para inducir la fisuración por debajo de la junta transversal, este corte debe realizarse a 1/3 del espesor de la losa, sin embargo, para alojar el material de sello, se debe realizar un corte de ampliación que contemple el ancho calculado del sellador y una profundidad en la que se establezca tanto el espesor de ampliación así como el diámetro de la tira de respaldo (backer rod). En función del ancho, DIPAV calcula un diámetro de la tira de respaldo algo mayor que el ancho calculado, de manera que este elemento no se mueva dentro de la junta. Adicionalmente, es necesario considerar que el sello debería estar remetido dentro de la junta en al menos 3 mm en la parte central para protegerlo del tráfico vehicular. Puesto que los selladores deben desplazarse 3 mm, este valor se añade al cálculo para la profundidad del sellador, de este modo, para juntas transversales, la profundidad mínima es de 12.5 mm y para juntas longitudinales 9.5 mm. La profundidad sugerida por DIPAV es la mínima requerida y el diseñador debe hacer un ajuste por razones prácticas en función del diámetro de tira de
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respaldo disponible y la ovalización que ésta pueda presentar. Ref. AASHTO Guía de Diseño Parte II. Sección 3.3.3
3.3. VISUALIZACIÓN DE LOS RESULTADOS DE DISEÑO Aparte de la presentación de los resultados en pantalla y la impresión de los mismos o su exportación a archivos de MS-Word ó MS-Excel para posterior procesamiento, tanto los módulos de diseño de pavimentos rígidos y flexibles cuentan con Gráficos de Sensibilidad entre espesor de losa (o número estructural) y cada una de las variables de diseño. Para acceder a los gráficos de sensibilidad, se debe hacer clic en la pestaña “Gráficos”. En la pestaña “Gráficos” aparece un sub botón Cerrar Gráfica que permite como su nombre lo dice cerrar los gráficos que no nos sirvan y que no necesitemos guardar y/o exportar. En la parte inferior de la sub-pestaña de gráficos se encuentra dos botones que permiten copiar y guardar la gráfica que se encuentre activa. El botón copiar, copia al portapapeles el gráfico activo y permite pegarlo en cualquier programa que deseemos a través de la combinación de teclas Ctrl+v. El botón guardar, permite guardar la gráfica activa en formato jpg en cualquier lugar del disco duro y/o medio extraíble del ordenador.
3.3.1. Gráficos de Sensibilidad Una vez en la pestaña Gráficos que se muestra en la fig. 3.14, se podrán graficar todas las variables empleadas en el diseño estructural del pavimento vs. El espesor.
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Figura 3.14. Opciones de gráficos de sensibilidad Es necesario seleccionar una de las variables e introducir los rangos en los que desea mostrar la variación en las casillas “Valor Inferior” y “Valor Superior”. DIPAV 2.0 Graficará la sensibilidad de espesor versus la variable seleccionada en el rango requerido. DIPAV 2.0 revisa que los valores inicial y final estén dentro de los rangos establecidos por la Guía AASHTO para evitar incongruencias. El gráfico terminado puede imprimirse directamente, guardarse ó copiarse al portapapeles y pegar en otro programa a elección, adicionalmente, haciendo clic en el botón Exportar Puntos se exportan a una Hoja de Excel los valores de la gráfica para poder crear gráficas personalizadas. Estos gráficos pueden ser muy útiles para la verificación en obra de determinadas variables que puedan estar unas por encima y otras por debajo de los valores especificados y permitirían analizar el probable desempeño de un pavimento en comparación con los datos originales de diseño. Adicionalmente, en ésta nueva versión de DIPAV 2.0, se ha introducido la función de zoom para los gráficos de sensibilidad, lo que permite agrandar un área determinada de la gráfica creada y así poder analizar el comportamiento de la misma en rangos pequeños. Para activar la función de zoom de la gráfica de sensibilidad bastará con seleccionar el área del gráfico que se desea agrandar haciendo clic con el mouse y sin soltar dibujar el área y soltar el botón izquierdo (clic). Esto agrandará el área seleccionada y nos permitirá analizar el gráfico con mayor detalle. Para desactivar la función de zoom, bastará con hacer clic en los círculos que aparecen al principio del eje de las abscisas y al final del eje de las ordenadas.
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Figura 3.15. Función Zoom para los gráficos.
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4 4 DISEÑO ESTRUCTURAL FLEXIBLE
1. INTRODUCCIÓN El presente manual, asume que el usuario está razonablemente familiarizado con los principios básicos de la Guía de Diseño AASHTO versión 1993. Sin embargo, se presenta un resumen descriptivo de los conceptos básicos. Los pavimentos flexibles reciben su nombre porque la totalidad de la estructura de pavimento se deflecta bajo la acción de las cargas. Esta estructura de pavimento normalmente está compuesta de varias capas de distintos materiales. Cada capa recibe las cargas de la capa superior y las va transmitiendo disipando las presiones hacia abajo, hasta que llega a la subrasante que se constituiría en la capa menos cargada (en términos de fuerza por unidad de área). El diseño de pavimentos flexibles requiere como primer paso determinar el número estructural de diseño SN, requerido para soportar el tráfico propuesto de acuerdo con las condiciones establecidas para el diseño. Los datos necesarios para el diseño pueden introducirse directamente en las casillas correspondientes, sin embargo, están disponibles dos cuadros adicionales para determinar el Módulo Resiliente Estacional de la subrasante y para calcular la cantidad acumulada de ejes equivalentes de acuerdo con el tráfico proyectado. Una vez calculado el número estructural del pavimento flexible, se puede diseñar cada una de las capas que lo conforman. Se presentan dos procedimientos diferentes para el diseño de espesores: Diseño con verificación por capas y Diseño especificado. Ambos se explicarán más adelante en este capítulo, adicionalmente, es posible determinar gráficos de sensibilidad del número estructural versus cualquiera de las variables que intervienen en el diseño. Con la finalidad de no repetir conceptos que se hallan ampliamente expuestos en el capítulo de diseño de pavimentos rígidos, se realizará la referencia directamente al inciso que los cubre, aclarando o ampliando la información si fuera necesario.
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2. DATOS DE DISEÑO Para acceder al formulario de diseño de pavimentos flexibles de DIPAV 2.0, bastara con hacer clic en el sub-menú “Nuevo” y elegir en el cuadro de diálogo Nuevo la opción “Pavimento Flexible”, colocar un nombre para el Archivo de Diseño y luego hacer clic en Aceptar. Se abrirá una nueva pestaña al lado de derecho de la última pestaña existente y mostrará el nombre que se haya asignado al nuevo Diseño de “Pavimento Flexible”. La ventana pestaña principal de diseño de pavimento flexible y los datos requeridos se presentan a continuación:
Figura 4.1. Datos para el Diseño de Pavimento Flexible
2.1. SERVICIABILIDAD INICIAL La serviciabilidad inicial (p o ) es una medida de la suavidad del pavimento o facilidad de conducción inmediatamente después de la construcción. Tiene un rango en una escala de 0 a 5, que se halla explicada extensamente en el inciso 3.1.1. del capítulo de “Pavimento Rígido”. El promedio de Cemento y el Hormigón
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serviciabilidad inicial para pavimentos flexibles en el Ensayo de Carreteras de la AASHO fue 4.2, el cual es normalmente utilizado en los diseños de pavimentos flexibles nuevos.
2.2. SERVICIABILIDAD FINAL La serviciabilidad final (p t ) es la serviciabilidad mínima tolerable del pavimento que se espera al final de su vida útil en la misma escala de 0 a 5. Los valores típicos de serviciabilidad final están entre 2 y 3, dependiendo de la clasificación funcional de la carretera. Para mayor información vea la sección 3.1.2. Del capítulo 3 de Pavimento Rígido, puesto que el criterio de selección es el mismo.
2.3. MÓDULO RESILIENTE DEL SUELO NATURAL DE LA CARRETERA El módulo resiliente (Mr), es la propiedad del material usado para representar las características de soporte del suelo natural en el diseño de pavimentos flexibles. En términos generales, es una medida de la deformación del suelo en respuesta a aplicaciones (cíclicas) de cargas mucho menores que la carga de falla. El proceso de diseño de AASHTO, requiere la introducción del módulo resiliente efectivo del suelo de la carretera, Este módulo resiliente efectivo es una medida que representa el efecto combinado de todos los valores de módulos estacionales en una media ponderada en función del daño relativo que las cargas ocasionan a un suelo de acuerdo con distintos niveles de saturación. El Módulo Resiliente, en adelante Mr, es un ensayo de rigidez del material. Mientras que el módulo de elasticidad es la tensión dividida entre deformación (es decir la pendiente de la curva de un diagrama tensión – deformación para una carga aplicada lentamente), el módulo resiliente es la tensión dividida entre deformación elástica para cargas de aplicación rápida (como son las que experimenta un pavimento). En este sentido, considerando que mide una relación esfuerzo – deformación, se considera una estimación del módulo elástico del material. El módulo elástico también conocido como el módulo de Young (E) puede ser determinado para cualquier material sólido, y representa una constante entre esfuerzo y deformación. Un material será elástico si es capaz de retornar a su forma original inmediatamente después de ser traccionado o comprimido, la mayoría de los materiales son elásticos en alguna medida, siempre y cuando la carga aplicada no cause una deformación permanente, por tanto, la “flexibilidad” de un material depende de su módulo elástico y su geometría. Es importante considerar que esta es una medida de la elasticidad, es decir la capacidad de un material de recuperar su forma y dimensiones luego de estar sometido a una carga y no de su resistencia, puesto que esta última representa al esfuerzo necesario para romper el material. El Módulo Resiliente puede medirse aplicando distintos procedimientos, ya sea mediante datos de deflectometría en campo o ensayos de laboratorio, estos últimos comprenden el ensayo de módulo resiliente diametral para mezclas asfálticas y el ensayo triaxial para materiales granulares. En este último, se aplican cargas axiales fijas repetitivas, menores a la carga de falla, mientras la probeta se encuentra además sometida a una presión de confinamiento que modela las condiciones reales en las que se encuentra una partícula dentro de un pavimento. El ensayo comprende miles de aplicaciones y permite determinar la deformación recuperable o resiliente con la que responde el suelo a las aplicaciones de carga. De este modo se trata de un ensayo no destructivo pero que mide la respuesta elástica de un suelo ante repeticiones de carga, por este motivo, este ensayo permite la modelación más real de las estructuras de pavimento.
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Puesto que no todos los países cuentan con equipos que permitan la determinación en laboratorio de los módulos resilientes para suelos, existen varias correlaciones que pueden ser utilizadas para realizar una estimación en base al CBR u otras variables. A continuación se detallan algunas de ellas: Mr = 1,500 x CBR
(4.1)
Mr en psi y CBR en %, para suelos finos con CBR menor a 10% Desarrollada por Heukelom y Klomp, debe usarse con precaución. Otras correlaciones importantes son: Mr = 2,555 x CBR0.64
(4.2)
Mr en psi y CBR en %, para suelos finos con CBR menor a 10% Otras correlaciones desarrolladas en Sudáfrica y utilizadas ampliamente en Venezuela y Chile son las siguientes: Mr = 2,555 x CBR0.64
(4.3)
Mr en psi y CBR en %, para suelos finos con CBR menor a 12% Mr = 17.6 x CBR0.64
(4.4)
Que es la misma ecuación para Mr en MPa y CBR en %. Mr = 22.1 x CBR0.55
(4.5)
Mr en MPa y CBR en %, suelos granulares 12 < CBR < 80. Para la determinación de los módulos elásticos de capas granulares puede utilizarse la siguiente correlación en base a los coeficientes de capa: Mr = 30,000
ai 0.14
(4.6)
Mr en psi; a i es adimensional. Para una estimación rápida del CBR y por tanto del Mr, también puede utilizarse el penetrómetro dinámico de cono (DCP) con la siguiente correlación: CBR =
292 DCP1.12
(4.7)
CBR en %, DCP = penetración en pulgadas / golpes
2.4. NIVEL DE CONFIANZA Es la probabilidad de que el pavimento sobreviva a su período de diseño, dicho de una manera sencilla, es la probabilidad estadística de que las secciones de pavimento se encuentren operables al final de la vida útil prevista. Este concepto se encuentra desarrollado ampliamente en el capítulo de pavimentos rígidos subtítulo 3.1.9. Sin embargo, es importante hacer notar que se trata de una variable probabilística, de manera que se deben aplicar todos los conceptos de análisis de probabilidad, en este sentido, cuando se habla de rehabilitaciones planificadas dentro del período de diseño (por etapas, considerando distintas sobrecarpetas hasta alcanzar el período de diseño) y no se diseña en una sola etapa de al menos
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20 años, entonces debe fijarse un nivel de confianza global para luego calcular los niveles de confianza individuales. Este concepto se encuentra ampliamente explicado en la sección I, Inciso 4.5, pág. I-63, de la Guía AASHTO, en la cual se ejemplifica que un diseño en dos etapas, para el cual se haya utilizado un nivel de confianza de 0.90 para cada una de ellas, tendrá un nivel de confianza compuesto de 0.90 x 0.90 = 0.81, lo cual es muy diferente a un diseño en una sola etapa con un nivel de confianza de 0.90. También se aclara nuevamente este concepto en la Parte II, inciso 3.1.2, pág. II-33 de la Guía, puesto que es muy importante para el diseño. De este modo, si se desea utilizar un nivel de confianza global de 0.90, se debería utilizar niveles individuales de confianza de. 0.90½ = 94.87%. Este caso es aún más significativo cuando se utilizan bajos niveles de confianza, por ejemplo si se diseñan dos etapas con un nivel de confianza de 0.70, entonces la confianza global sería: 0.70 x 0.70 = 0.49, lo que nos indica que prácticamente hay más probabilidades que el pavimento falle (51%), ya sea en la primera o en la segunda etapa. Por este motivo los aspectos de confianza deben tratarse siempre considerando el número de rehabilitaciones planeadas cuando se diseña para períodos inferiores a 20 años. A fin de hacer este procedimiento más sencillo, DIPAV 2.0 cuenta con una casilla denominada “Número de etapas de construcción”. Si simplemente se coloca el nivel de confianza global deseado y en la citada casilla se introduce el número de rehabilitaciones planeadas para que el pavimento cumpla la totalidad de su vida útil, DIPAV 2.0 calculará directamente el nivel de confianza para la etapa inicial y procederá a la determinación del Número Estructural con este último valor. Es importante notar que esta casilla no está disponible para el diseño de pavimentos rígidos puesto que los mismos se diseñan para períodos de vida, iguales o mayores a 20 años y por tanto no se diseñan en etapas.
2.5. DESVIACIÓN ESTÁNDAR GLOBAL Este concepto se encuentra explicado detalladamente en el subtítulo 3.1.10. del capítulo correspondiente a pavimento rígido, que se sugiere revisar, sin embargo, se destaca que los valores comúnmente utilizados para pavimento flexible están entre 0.45 a 0.49, el primero cuando se dispone de mediciones precisas de tráfico y cargas por eje mediante pesaje, lo cual reduce la variabilidad en los datos de diseño y el segundo para casos en los que la incertidumbre es mayor.
2.6. NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES ESALS Las aplicaciones de ESALs de 80KN (18kips) son el número acumulado de ejes equivalentes que se espera que el pavimento pueda soportar en su período inicial de desempeño (el tiempo desde su apertura al tráfico hasta su primera rehabilitación mayor). El valor puede ser introducido directamente, si se conoce, o puede ser calculado a partir de datos de tráfico. Para calcular los ESALs, presione el botón secundario de tráfico que está al lado del cuadro de introducción de datos. Se recomienda revisar la sección 3.1.11. Del capítulo 3 Pavimento Rígido, en la cual se detallan ampliamente los conceptos de Factores Equivalentes de Carga y el cálculo de ESALs, puesto que los conceptos son exactamente los mismos.
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2.7. NÚMERO ESTRUCTURAL El número estructural (SN por sus siglas en inglés) es un valor originalmente concebido como adimensional, que representa la capacidad requerida por un pavimento flexible para soportar las cargas impuestas por el tráfico y bajo las condiciones que expresan los datos de diseño. El valor no tiene un significado físico, tratándose más bien de una medida relativa de comparación. El número estructural requerido, se calcula mediante todos los datos arriba expuestos y posteriormente se relaciona con los espesores y capacidad estructural de las diferentes capas que componen el “paquete estructural”. En este sentido, de manera convencional, se asignará unidades métricas al número estructural, de manera que el mismo pueda ser relacionado con espesores también en unidades métricas, manteniendo los coeficientes estructurales de capa adimensionales. Sin embargo, para los usuarios acostumbrados al uso de unidades inglesas, también se muestra el número estructural en pulgadas a manera de información.
2.8. CÁLCULO DE ESALS QUE PUEDEN SER RESISTIDOS DADO UN DETERMINADO NÚMERO ESTRUCTURAL. Ésta es una función nueva en DIPAV 2.0 que nos permite calcular los ESALs que pueden ser resistidos dado un determinado número estructural, para realizar dicho cálculo bastará en hacer clic en el botón de radio ESALs situado en la parte inferior izquierda de la pestaña principal de diseño de Pavimento Flexible. La casilla Número de ejes equivalentes queda deshabilitada y la casilla Número Estructural queda habilitada para que introduzcamos el espesor de losa para el que deseamos calcular cuántos ESALs resistirá y hacemos clic en el botón calcular. Esto nos dará el número de ESALs para el Número Estructural ingresado.
3. DISEÑO DE ESPESORES DE CAPAS DEL PAVIMENTO La Guía de diseño AASHTO establece valores mínimos para el espesor de asfalto y la capa base en función del número de Ejes Equivalentes que solicitará al pavimento, por tanto, de una manera práctica no debería considerarse valores menores a los indicados a continuación. Número de ESALs Menos de 50,000 50,000-150,000 150,000-500,000 500,000-2,000,000 2,000,000-7,000,000 Más de 7,000,0000
Concreto Asfáltico
Base Granular
2,5 cm ó TS 5,0 cm 6,5 cm 7,5 cm 9,0 cm 10,0 cm
10 cm 10 cm 10 cm 15 cm 15 cm 15 cm
Tabla 4.1. Espesores mínimos de concreto asfáltico y base granular Ref.
AASHTO Guía de Diseño Parte II. Sección 3.1.4.
Es importante aclarar que el espesor de una capa de Tratamiento Superficial es despreciable en cuanto se refiere al porcentaje de SN absorbido, motivo por el cual muchas veces se desprecia su aporte estructural, pero tiene gran efecto en la base y sub base ya que reduce la entrada de agua
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en la estructura del pavimento (Ref. Guía AASHTO Sección II, parte 3.1.4). A pesar de ello, AASHTO fija el valor de 50,000 Ejes Equivalentes como el máximo que este tratamiento puede absorber, motivo por el cual normalmente se diseña para carreteras de bajo volumen de tráfico y períodos no superiores a 4 años, luego de los cuales se debe prever un recapamiento (es decir que se debe calcular 2 ó 3 etapas de construcción para alcanzar al menos 20 años de vida útil). El valor del número estructural requerido (SN), se convierte a espesores individuales de capas en el pavimento a través de la siguiente relación: SN = a 1 d 1 m 1 + a 2 d 2 m 2 + a 3 d 3 m 3 + … + a n d n m n
(4.8)
Donde: SN = Número Estructural a i = coeficiente estructural actual para la capa i d i = espesor de la capa i m i = coeficiente de drenaje para la capa i Para determinar los espesores de cada capa, se debe hacer clic en la sub-pestaña “Diseño de espesor de capas”. Que es la cuarta sub-pestaña del formulario de Diseño de Pavimentos Flexible. Tal como se muestra en la fig. 4.2.
Figura 4.2. Diseño con verificación por capas
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La pestaña contiene dos sub-pestañas, la primera “Diseño con Verificación por Capas” y la segunda “Diseño Especificado”. Con el botón “Dimensionar Tabla” se introduce el número de capas que el usuario estima son suficientes para resistir las solicitaciones en el pavimento. Estas capas pueden ser adicionadas o quitadas una vez realizado el primer tanteo. En la primera aparece una matriz que requiere la introducción de datos para cada una de las capas y en la última columna se determinará los resultados calculados por DIPAV 2.0. Los datos para el diseño únicamente se introducen y modifican en esta sub-pestaña. La segunda sub-pestaña “Diseño Especificado”, se utiliza para definir los espesores finales que cumplan con la ecuación del Número Estructural, de manera que sirve para realizar ajustes en las capas, redondeos, requerimientos constructivos, etc., pero contando con el parámetro de verificación que tiene una metodología establecida por la AASHTO. En el método de ”Diseño con verificación por capas”, la ecuación del diseño estructural flexible de AASHTO se resuelve por capas sucesivas, usando el módulo resiliente de cada capa, por tanto tiene la lógica de que cada una de las capas debe contar con suficiente espesor por encima de ellas como para protegerla de la erosión, de acuerdo a su capacidad estructural expresada mediante su módulo resiliente según se detalla ampliamente en el subtítulo 3.1 de este capítulo. Este es el método más lógico y por tanto el que debería utilizarse siempre, el “Diseño Especificado” simplemente es un ajuste matemático que permite infinitas soluciones, El usuario puede introducir cualquier tipo de combinación de espesores que satisfaga al SN requerido, pero se ignora la protección de cada capa en particular, por tanto puede dar lugar a soluciones incongruentes. En el caso del pavimento flexible, la falla de cualquiera de las capas se reflejará dando lugar a deformaciones permanentes o fisuración en la parte superior. Por todo lo expuesto, no es una buena práctica ignorar la verificación por capas, puesto que justamente pueden fallar las capas menos protegidas y que no cuentan con suficiente espesor de las capas superiores para disipar los esfuerzos de solicitación en el asfalto. El procedimiento se describe en detalle a continuación.
3.1. MÉTODO DE DISEÑO CON VERIFICACIÓN POR CAPAS El Método de Diseño con Verificación por Capas, se basa en el concepto de que las capas granulares no tratadas deben estar protegidas de las tensiones verticales excesivas que pueden producir deformaciones permanentes. DIPAV 2.0 resuelve la ecuación de AASHTO para cada capa no tratada en función del módulo resiliente de la capa situada por debajo de la que se quiere determinar su espesor. Por ejemplo, para determinar el espesor de asfalto sobre una base granular no tratada, DIPAV 2.0 utilizará el módulo resiliente de la capa base tratándola como si fuera la capa de apoyo y calculará un valor de SN que debe ser absorbido sólo por la capa asfáltica. Este valor de SN se divide entre el coeficiente estructural del asfalto (a 1 ), cuyo concepto se explica más adelante en 3.1.2.1 y con ello se obtiene el espesor del asfalto. Posteriormente y una vez definido el espesor de la capa de asfalto, se realiza la misma operación utilizando en esta ocasión el Mr de la capa subbase, con lo cual se puede calcular el SN que deben absorber tanto la capa de asfalto (ya definida previamente) y la capa base, por tanto es posible calcular el espesor de la capa base tomando el valor SN recientemente calculado y restándole la contribución de la capa asfáltica, así se determina el valor de SN que debe absorber la capa base, puesto que se cuenta con sus coeficientes estructural y de drenaje (a 2 m 2 ), se puede determinar directamente el espesor de la capa base y así sucesivamente a través de todas las capas no estabilizadas del pavimento. El método no es aplicable para el diseño de las capas que se encuentren apoyadas sobre capas estabilizadas que tengan un módulo resiliente mayor a 280 MPa (40,000 psi). En este caso, el Cemento y el Hormigón
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espesor de la capa situado por encima de la capa estabilizada deberá ser definido por el diseñador en función a criterios de espesores mínimos constructivos y relaciones de costo – eficiencia. Estos casos consideran que la elevada rigidez de la capa estabilizada no permitirá la falla de la capa situada por encima de ésta y por tanto el diseñador debe establecer el espesor de la misma, para ello se ha previsto una casilla denominada “Espesor Especificado” que se utilizará para este fin. Según se detalla en 3.1.5. Seguidamente se desglosa las propiedades de cada una de las columnas para utilizar este método.
3.1.1. Nombre de Capa Es un campo alfanumérico que sirve para introducir el nombre de cada una de las capas, si se desea acompañado de una sigla. Debe comenzarse por la capa de rodadura (asfalto), a continuación la capa base y así sucesivamente. No debe introducirse la capa subrasante, puesto que la misma ya está considerada en el Modulo Resiliente de la pantalla principal para determinar el SN. DIPAV 2.0 permite introducir un máximo de 8 capas para que se pueda considerar el aporte real de la subrasante mejorada (si existiera), capas estabilizadas, etc.
3.1.2. Coeficiente Estructural Los coeficientes estructurales de capas (a i ), son una medida de la capacidad relativa del material en cuestión para funcionar como componente estructural de un pavimento flexible. Aunque no son una medida directa de su resistencia, pueden relacionarse con distintos parámetros resistentes. Cada una de las capas de un sistema de pavimento flexible debe tener asignado un coeficiente estructural, para determinar los espesores requeridos de cada capa y su aporte al Número Estructural (SN). Lo ideal es que se utilice siempre el Módulo Resiliente del material y éste se relacione con el coeficiente estructural, sin embargo, en ausencia de mediciones directas de Mr, pueden utilizarse correlaciones disponibles en la Guía de Diseño para determinar el coeficiente estructural en función del CBR ó valor R, según se describe a continuación: 3.1.2.1. Coeficiente Estructural para Concreto Asfáltico en Caliente El coeficiente de capa para una pista de concreto asfáltico (a 1 ) es una función del valor del módulo elástico del material. La figura 2.5 en la sección II de la Guía de Diseño AASHTO provee un cuadro que puede ser usado para estimar el coeficiente estructural de la capa de una superficie densamente graduada de concreto asfáltico basado en su módulo elástico a 20º C (68ºF). El coeficiente promedio de la superficie de concreto asfáltico en el ensayo de carreteras AASHO fue de 0.44. También existen correlaciones en función de la estabilidad Marshall o el módulo resiliente del asfalto. Estos valores se aplican para asfalto tratado en caliente, no así para tratamientos superficiales, en los cuales normalmente se ignora el aporte de la capa de tratamiento, o en el mejor de los casos se asume de manera igual al valor de la capa base utilizada. 3.1.2.2. Coeficiente Estructural para Capa Base Granular La figura 2.6 en la Sección II de la Guía de Diseño AASHTO provee un gráfico que puede ser usado para estimar el coeficiente estructural para una base granular (a 2 ) de uno de cuatro resultados de ensayos de laboratorio. Estos resultados se basan en los promedios del ensayo de carreteras
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AASHO para materiales granulares en el que se obtuvo: a 2 = 0.14, para un módulo de la base E BS = 210,000 kPa (30,000psi) con un CBR = 100 % y un valor de R de 85. Normalmente en Bolivia se especifica para capa base un valor de CBR 80 %, y por tanto los valores adoptados están entre 0.13 y 0.135. Si se especificara otros valores, deberá modificarse los coeficientes en función de la Fig. 2.6 de la Guía AASHTO. 3.1.2.3. Coeficiente Estructural para Capa Subbase Granular La figura 2.7 en la Sección II de la Guía de Diseño AASHTO provee un gráfico que se puede usar para estimar el coeficiente estructural para materiales de sub-base granular (a 3 ). La capa subbase del AASHO Road Test tenía las siguientes características: (a 3 ) = 0.11; E BS = 105,000 kPa (15,000psi); CBR = 30 %; valor de R de 60. En Bolivia Es usual especificar capas base con un CBR de 40%, a las que corresponde un coeficiente estructural de 0.12. Estos valores pueden modificarse en función de los materiales existentes en la zona del proyecto. 3.1.2.4. Coeficiente Estructural para Base Tratada con Cemento La figura 2.8 en la Sección II de la Guía de Diseño AASHTO provee un gráfico para estimar el coeficiente estructural para una base tratada con cemento (a 2 ) ya sea de su módulo elástico o de su resistencia a la compresión no confinada a los 7 días, siendo este último valor el que se utiliza normalmente en la especificación, en función a los materiales que se pueden obtener en obra y ensayos específicos para este fin. 3.1.2.5. Coeficiente Estructural para Base Tratada con Asfalto La figura 2.9 en la Sección II de la Guía de Diseño AASHTO provee un gráfico que se puede usar para estimar el coeficiente estructural para una base de tratamiento bituminoso (a 2 ) ya sea de su módulo elástico o de su estabilidad Marshall (AASHTO T245, ASTM D1559). Ref:
Guía de Diseño AASHTO, Parte II, Sección 2.3.5 Guía de Diseño AASHTO, Parte II, Sección 3.1.4 – 3.1.5
3.1.3. Coeficiente de Drenaje El efecto del drenaje en la vida de un pavimento flexible se cuantifica a través del uso de un coeficiente de drenaje (m i ). Este factor ha sido integrado en las ecuaciones de número estructural como un modificador al coeficiente de capa (a i ) y al espesor de la capa (d i ). De este modo, la ecuación que provee el número estructural aportado por las distintas capas del pavimento es la siguiente: SN = a 1 d 1 m 1 + a 2 d 2 m 2 + a 3 d 3 m 3 + … + a n d n m n Los coeficientes de drenaje sólo son aplicables a las capas base y sub-base no tratadas. El posible efecto del drenaje en la superficie de una pista de concreto asfáltico y en cualquier otra capa estabilizada no se considera, es decir que se adopta un valor m 1 = 1, valor que debe introducirse en el programa, Si se introduce un valor mayor a 1 en la primera capa de pavimento, el programa dará un mensaje de error. El coeficiente de drenaje es una función de la calidad del drenaje (el tiempo requerido para que el pavimento escurra) y el tiempo durante el año que la estructura del pavimento está expuesta a niveles de humedad cercanos a la saturación. Depende del diseñador determinar los niveles
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relativos de cada uno de estos valores para las condiciones específicas consideradas para el diseño. La calidad del drenaje depende de las permeabilidades de los materiales de base y fundación, el diseño de la sección transversal estructural y la presencia de subdrenes de borde. El período de tiempo durante el año en que el pavimento estará expuesto a los niveles cercanos a la saturación es una función de las características de precipitación y evapotranspiración del clima de la región en el que se desarrolla la obra. A fin de utilizar un coeficiente adecuado, la Guía AASHTO presenta la siguiente tabla: Porcentaje de tiempo en que el pavimento está sometido a niveles cercanos de saturación Calidad de Drenaje Excelente Bueno Regular Pobre Muy Pobre
Menos de 1 %
1 – 5%
5 - 25%
Más de 25%
1.25-1.20 1.20-1.15 1.15-1.10 1.10-1.00 1.00-0.90
1.20-1.15 1.15-1.10 1.10-1.00 1.00-0.90 0.90-0.80
1.15-1.10 1.10-1.00 1.00-0.90 0.90-0.80 0.80-0.70
1.10 1.00 0.90 0.80 0.70
Tabla 4.2. – Porcentaje de tiempo que el pavimento está sometido a niveles de saturación Calidad de Drenaje
85% de saturación alcanzado en:
Excelente Buena Regular Pobre Muy pobre
2 horas 1 día 1 semana 1 mes el agua no drena
Tabla 4.3. – Tiempo en que alcanza 85 % de saturación Ref:
Guía de Diseño AASHTO, Parte I, Sección 1.8 Guía de Diseño AASHTO, Parte II, Sección 2.4.1
3.1.4. Módulo Resiliente A fin de que DIPAV 2.0 pueda calcular los espesores mínimos que deben colocarse sobre cada una de las capas, es necesario contar con sus respectivos Módulos Resilientes, expresados en KPa. De este modo, DIPAV 2.0 realizará el cálculo de la ecuación de AASHTO para cada una de las capas y en función de sus coeficientes estructurales y de drenaje, establecerá el espesor mínimo de la(s) capa(s) superiores a la capa en estudio. La última capa se obtendrá por diferencia entre los números estructurales requerido y aportado por las capas superiores. Lo normal es que la rigidez de las distintas capas sea mayor a medida que se alcanza la superficie, es decir que las capas de mejor calidad se sitúen en la parte superior del pavimento, si esto no ocurriera se pueden producir incongruencias, las cuales serán detectadas por DIPAV que proporcionará un mensaje de error. De manera análoga, las capas del pavimento deberían siempre tener un valor mayor de módulo resiliente que la capa de subrasante, si esto no ocurriera se produciría un valor negativo, por este motivo DIPAV 2.0 proporcionará un valor cero y dará un mensaje de error para corregir esta situación.
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3.1.5. Espesor Especificado En casos en los que se utilice una capa estabilizada cuyo módulo resiliente sea superior a 280 MPa (40,000 psi), el método con verificación por capas no es aplicable, motivo por el cual se debe especificar el espesor de la capa situada por encima de la estabilizada. Este caso debe manejarse con precaución, puesto que pueden ocurrir contrasentidos si las capas no son racionales, en todo caso, DIPAV cuenta con mensajes de error si se presentase alguna incongruencia en los datos.
3.1.6. Espesor Calculado con Verificación por Capas El resultado del procedimiento de diseño son los espesores calculados mediante el método con verificación por capas. Los espesores para cada una de las capas se expresan en mm. A continuación se puede acceder a la pantalla de Diseño Especificado a fin de ajustar los valores obtenidos con verificación por capas como se detalla a continuación en 3.2.
3.2. DISEÑO ESPECIFICADO
Figura 4.3. Diseño especificado
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Una vez realizado el diseño con verificación por capas, DIPAV 2.0 permite al usuario especificar un conjunto de espesores de las distintas capas del pavimento, de manera que la combinación de espesores, números estructurales y coeficientes de drenaje sea mayor o igual al número estructural requerido. Para utilizar esta sub-pestaña, es necesario introducir primero todos los datos y hacer clic en el botón “Verificar”. En este procedimiento, el usuario debe introducir todos los datos para cada una de las capas y DIPAV 2.0 calculará la contribución del SN de cada capa individual y de toda la estructura. Este procedimiento es apropiado para afinar los diseños de los espesores obtenidos con el Método de Verificación por Capas. El procedimiento especificado proporciona un infinito número de soluciones, sin embargo, la lógica de la verificación por capas considera espesores adecuados para que protejan a la capa inferior, motivo por el cual el método de diseño especificado debería más bien hacer ajustes para que las capas tengan valores razonables desde el punto de vista constructivo y de acuerdo al criterio económico del diseñador, los que deben satisfacer al número estructural total. Para ello, puesto que ya se ha introducido los datos de coeficientes estructurales y de drenaje, únicamente se requiere la introducción de nuevos espesores en la columna “Espesor Asumido”. Los datos deben introducirse en milímetros.
3.2.1. Número Estructural Alcanzado y Requerido. El número estructural alcanzado, que se muestra en la parte de abajo del formulario, corresponde a la suma de los números estructurales calculados para los espesores de las capas asumidas y se obtiene mediante el producto de los espesores por los coeficientes estructurales de cada capa y los coeficientes de drenaje. Esta sumatoria debe ser igual o mayor al Número estructural requerido, que se obtiene de los datos de la pestaña principal y se muestra para comparación. DIPAV 2.0 proporciona un mensaje si el número requerido ha sido alcanzado o no.
4. VISUALIZACIÓN DE LOS RESULTADOS DE DISEÑO Al igual que en el caso de pavimento rígido, el módulo de diseño de pavimento flexible incluye la visualización de gráficos de sensibilidad, en este caso de las principales variables versus el Número Estructural (SN).
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4.1. GRÁFICOS DE SENSIBILIDAD
Figura 4.4. Opciones de gráficos de sensibilidad
Los gráficos de sensibilidad proveen una pantalla gráfica que muestra el efecto de los resultados calculados para los datos de la ecuación de diseño estructural. El gráfico terminado puede también ser copiado al portapapeles, guardarse como un archivo de tipo imagen JPG ó imprimirse, estos aspectos se han detallado en el subtítulo 3.3 del capítulo de pavimento rígido.
4.1.1. Rangos Para ejecutar el gráfico de sensibilidad es necesario establecer rangos para la variable que se desea graficar. DIPAV 2.0 controlará que dichos rangos no se salgan de los parámetros establecidos por la Guía AASHTO. La pestaña “Gráficos” tiene un sub botón Cerrar Gráfica nombre lo dice cerrar la gráfica que se encuentre activa.
que permite como su
La Función de zoom para las gráficas también se encuentra presente en éste módulo y su funcionamiento es el mismo que se describe en la sección 3.3.1 del capítulo anterior.
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5 5 DISEÑO SOBRECARPETAS 1. INTRODUCCIÓN Los procedimientos AASHTO actuales de diseño de sobrecarpetas son el resultado de muchos años de investigación y ensayos de campo sobre pavimentos y su desempeño. La conclusión del AASHO Road Test en 1960, que estudió el desempeño de pavimentos sujetos a cargas conocidas de tráfico, llevó al desarrollo de modelos para el dimensionamiento de pavimentos flexibles y rígidos. Aunque no se realizaron estudios específicos de sobrecarpetas en el AASHO Road Test, se estudió el desempeño de pavimentos flexibles y rígidos que fueron reencarpetados con asfalto. Luego se han realizado esfuerzos continuos para mejorar las ecuaciones de diseño y para extender su aplicación a las sobrecarpetas. Este manual para operar el software DIPAV 2.0 toma en cuenta estos aspectos como resultado de las innovaciones que se han realizado en los últimos años. Las sobrecarpetas de asfalto u hormigón sobre pavimentos existentes se utilizan para corregir fallas funcionales o estructurales de pavimentos existentes. Las fallas funcionales son aquellas que afectan directamente o indirectamente al usuario, como ser una pobre fricción superficial, una textura rugosa, efectos de deslizamiento de vehículos por hidroplaneo (agua entre las llantas y el pavimento), presencia de ahuellamientos, hundimientos, asentamientos en el pavimento. Por otro lado las fallas estructurales son aquellas que afectan la capacidad del pavimento para soportar las cargas. Ejemplos de fallas de este tipo son: espesor inadecuado, fisuras, distorsiones y desintegraciones. Muchas de estas fallas no son solo provocadas por la acción del tránsito sino por otras causas como ser: malas técnicas de construcción, fisuración por alto gradiente térmico o baja temperatura, etc. No obstante esto, la acción del tránsito acelera el propio proceso de deterioro. En las primeras versiones de la Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO, no se indicaba nada en relación al diseño de sobrecarpetas hasta la versión de 1986 donde aparecieron los conceptos de capacidad estructural y vida remanente. En la versión de 1993 se corrigieron las limitaciones de esta primera versión y se obtuvo el método que actualmente está en vigencia. El diseño de sobrecarpetas se basa en el concepto de “deficiencia estructural”. Esencialmente se basa en que la capacidad estructural de una sobrecarpeta colocada encima de un pavimento existente debe satisfacer la deficiencia entre la capacidad estructural requerida para soportar el tráfico futuro sobre un periodo de diseño especificado y la capacidad estructural efectiva del pavimento.
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2. CONCEPTOS DE CAPACIDAD ESTRUCTURAL Y DEFICIENCIA ESTRUCTURAL Capacidad estructural es esencialmente la medida de la habilidad de un pavimento de soportar cargas de tráfico repetitivas durante el tiempo. Para un pavimento nuevo, esta capacidad decrecerá con el tiempo y el deterioro de la estructura. En este entendido, un pavimento con una capacidad estructural SC o , salvo cualquier rehabilitación mayor, el tiempo y las cargas de tráfico reducirán su capacidad a alguna capacidad estructural efectiva SC ef , en el futuro. Esto se ilustra en el gráfico que se presenta a continuación donde el pavimento pasa de una serviciabilidad P 1 a P 2 . Siguiendo este principio, el método de diseño de sobrecarpetas usando los procedimientos de diseño AASHTO se basa en el concepto de "deficiencia estructural”. Según lo indicado por la figura 5.1, para un pavimento con una capacidad estructural efectiva SC ef , si la capacidad estructural requerida para soportar el tráfico futuro durante un período especificado del diseño es denotada por SC f , entonces la diferencia entre SC f y SC ef representa la deficiencia estructural que necesita ser corregida. SC ol = SC f - SC ef
(5.1)
Obviamente, la capacidad estructural requerida será correcta solamente si SC f y SC ef se determinan con precisión. Puesto que la capacidad estructural necesaria para soportar el tráfico futuro es igual que ésa para un nuevo diseño, SC f no es muy difícil de determinar. Por lo tanto, SC ef es el parámetro crítico que necesita ser determinado. En el diseño actual de sobrecarpetas, la capacidad estructural para los pavimentos existentes es representada por el número estructural (SN) para los pavimentos flexibles y por el espesor de la losa (D) para los pavimentos rígidos. La capacidad estructural eficaz es denotada por SN ef para los revestimientos flexibles y por D ef para los pavimentos rígidos y compuestos. La capacidad estructural requerida para soportar el tráfico futuro es denotada por SN f para los revestimientos flexibles y por D f para los pavimentos rígidos y compuestos. De acuerdo con los principios expuestos, el diseño de sobrecarpetas usando los procedimientos AASHTO implica básicamente los pasos siguientes: •
Determinación de SN f o D f .
•
Determinación de SN ef o D ef para caracterizar la capacidad estructural existente
•
Determinación de SN ol o D ol.
Los SN f y el D f son determinados usando las ecuaciones de diseño de AASHTO para nuevos pavimentos flexibles y rígidos, respectivamente. SN ef y D ef son determinados a
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Figura 5.1. Ilustración de la pérdida de la capacidad estructural en función al tiempo y tráfico Partir de una evaluación estructural del pavimento existente. Si la relación decreciente en la figura 5.1 estuviera bien definida, esta evaluación para determinar la capacidad estructural eficaz es directa. Sin embargo, esta relación no está bien definida, lo que hace de la evaluación estructural del pavimento existente un aspecto muy importante de los procedimientos de diseño del recubrimiento de AASHTO.
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3. TIPOS DE DISEÑO DE SOBRECARPETAS El módulo de diseño de sobrecarpetas utiliza diferentes procedimientos dependiendo del tipo de material que será utilizado y el tipo de pavimento que será intervenido. Los distintos tipos de sobrecarpetas que el software DIPAV 2.0 calcula son: Tabla 5.1 Sobrecarpeta Concreto asfáltico Concreto asfáltico Concreto asfáltico Concreto asfáltico Hormigón adherido Hormigón no adherido Hormigón
Pavimento existente Concreto asfáltico (CA) Hormigón previamente fracturado o triturado H. Simple, H. c/refuerzo y juntas o H. contínuam. Reforzado CA s/H. Simple, H. c/refuerzo y juntas o H. contínuam. Reforzado Hormigón Hormigón Concreto Asfáltico
Para crear un nuevo diseño de sobrecarpetas utilizando DIPAV 2.0, debe hacer clic en el menú “Archivo”, seleccionar “Nuevo”. Se desplegará el cuadro de diálogo del Nuevo diseño, donde deberá poner el nombre, hacer clic en la opción “Diseño de Sobrecarpetas” y seleccionar el tipo de Caso de sobrecarpetas que desea realizar. Finalmente debe hacer clic en aceptar para crear la nueva pestaña de diseño. Puede hacer el mismo procedimiento haciendo clic en el botón “Nuevo Proyecto” barra de herramientas de DIPAV 2.0
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situado en la
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Figura 5.2 Nuevo Diseño de Sobrecarpetas
3.1 CONCRETO ASFÁLTICO SOBRE PAVIMENTO DE CONCRETO ASFÁLTICO La pantalla para el diseño con esta alternativa se presenta a continuación:
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Figura 5.3 Pantalla concreto asfáltico sobre concreto asfáltico Al igual que en el diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles, DIPAV 2.0 utiliza la interfaz de usuario con sub-pestañas para cada archivo de diseño que se tenga abierto. Cada sub-pestaña a su vez puede tener otro conjunto de sub-pestañas. Cada sub-pestaña es un cálculo referente al caso que se esté diseñando que puede accederse haciendo clic en la sub-pestaña deseada ó simplemente dejar que DIPAV 2.0 cambie automáticamente a la pestaña correcta, de acuerdo al cálculo que sea necesario realizar.
3.1.1 Capacidad estructural para tráfico futuro El valor puede ser introducido directamente o puede ser determinado de otros datos presionando el primer botón “Calcular”. El Número Estructural para tráfico futuro (SNf) se determina usando el mismo procedimiento seguido para el diseño de pavimentos flexibles nuevos. Al hacer clic en “Calcular” se pasa a la sub-pestaña “Número Estructural para Tráfico Futuro” que se muestra a continuación:
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Figura 5.4 Número Estructural para tráfico futuro Cuando todos los datos requeridos han sido introducidos, presionando el botón “Calcular” situado al pie del formulario, se obtiene el resultado; con el botón Volver resultado a la sub-pestaña inicial.
se exportará el
3.1.1.1 Cargas de Ejes Equivalentes futuras para el período de diseño En el capítulo 3 de este mismo manual se explican los conceptos de ESALs futuros de 80 KN por lo que se recomienda recurrir al punto 3.1.11.2 de este capítulo 3 donde se da una explicación amplia de esta variable. Con el primer botón Calcular se pasa a la sub-pestaña explicada en el punto antes indicado y haciendo clic en el botón “Calcular ESALs” se pasa a la sub-pestaña “Número de Ejes equivalentes”. 3.1.1.2 Serviciabilidad inicial La serviciabilidad inicial (po) es una medida de la suavidad o facilidad de conducción del pavimento inmediatamente después de la construcción de la sobrecarpeta. La escala de serviciabilidad AASHTO es un rango desde 0 (impasable) hasta 5 (perfectamente suave). El valor actual
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introducido aquí puede ser basado en registros de construcción, experiencia con los constructores de pavimentos o política de la entidad responsable. 3.1.1.3 Serviciabilidad final La serviciabilidad final (pt) es el nivel de suavidad o facilidad de conducción en el cual el pavimento necesita ser rehabilitado nuevamente. 3.1.1.4 Nivel de confianza El nivel de confianza (R), expresado como porcentaje, es la probabilidad de que una estructura de pavimento pueda sobrevivir el período de diseño de tráfico. Generalmente, a medida que los volúmenes de tráfico se incrementan, las consecuencias de una falla prematura del pavimento se incrementan drásticamente, por tanto, carreteras de alto volumen de tráfico deben construirse con un nivel de confianza mucho más alto que las carreteras de bajo volumen de tráfico. 3.1.1.5 Desviación estándar global La desviación estándar normal es la medida de la variabilidad en los datos. Recomendaciones para la selección de valores apropiados se pueden encontrar en la sección de diseño de pavimentos nuevos en el capítulo: Módulo de Diseño Estructural Flexible. 3.1.1.6 Módulo resiliente de diseño de subrasante El módulo resiliente de diseño de subrasante se obtiene de las siguientes tres maneras:
A partir de ensayos de CBR o ensayos de clasificación de suelos pueden conducir a correlaciones aproximadas. En el punto 2.3 del capítulo 4 se explican ampliamente las distintas correlaciones del Módulo Resiliente con el CBR.
El módulo resiliente puede calcularse de datos de deflexión. Los valores de MR obtenidos de deflexiones deben ajustarse para ser consistentes con los valores medidos en laboratorio del ensayo de suelos para carreteras AASHO en el desarrollo de las ecuaciones de diseños flexibles. Se recomienda que los valores de MR calculados de ensayos en sitio sean multiplicados por un factor de corrección para su uso en la determinación de SNf para propósitos de diseño. Cuando se usa una carga de deflectómetro (FWD) de aproximadamente 40KN (9.000lb), este valor debe ser evaluado y ajustado si es necesario para el uso en el equipo de suelos y deflexiones de las entidades encargadas. Cálculo a partir de ensayos de deflexión se discute con mayor detalle más adelante en este capítulo en la sección Backcalculation (Retrocálculo).
Una estimación muy aproximada puede realizarse usando información disponible y relaciones desarrolladas de estudios de módulos resilientes. Sin embargo, si se usan datos de suelos “como se ha construido”, el módulo resiliente del suelo puede haber cambiado desde la etapa de construcción a causa de cambios en el contenido de humedad y otros factores.
Sea cual fuere el método usado, el módulo resiliente efectivo de diseño debe ser representativo de los efectos de cambios estacionales y consistente con los valores de módulo resiliente usados para representar ensayo de suelos de carreteras AASHO. Para calcular el módulo resiliente, en la sub-pestaña”Número Estructural para Tráfico Futuro” haga clic en el botón calcular situado a la derecha de la casilla “Módulo Resiliente de la
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Subrasante”, esto le llevará a la última sub-pestaña “Retrocálculo”. Use el procedimiento de “Retrocálculo” que se describe en detalle en la sección respectiva, más adelante en éste manual.
3.1.2 Capacidad estructural efectiva La capacidad estructural efectiva del pavimento existente es representada por medio del número estructural del pavimento existente. Se disponen de tres métodos para esta evaluación, el ingeniero proyectista debe decidir cuál aplicar en base a su experiencia y el propio juicio de ingeniería. Para ingresar a cualquiera de estos tres métodos, en la Sub-pestaña inicial, debe hacer clic en el botón Calcular correspondiente a cada método.
3.1.2.1 Método de análisis de componente
Figura 5.5 Determinación del SN ef por Análisis de Componentes Para determinar la capacidad estructural de pavimento, debe primero dimensionar la Tabla de Cálculo introduciendo en la casilla correspondiente el “Número de Capas” para las que se desea hacer el cálculo y hacer clic en el botón “Dimensionar”, esto añadirá a la Tabla de cálculo tantas filas como número de capas haya introducido.
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Debe introducir las siguientes características de cada capa: nombre de, coeficiente estructural y coeficiente de drenaje. Se aplica la misma la ecuación del diseño de pavimentos nuevos considerando los coeficientes actuales de drenaje, espesores de capa y coeficientes estructurales modificados.
SN ef = a 1 d 1 + a 2 d 2 m 2 + a 3 d 3 m 3 + … + a n d n m n
(5.2)
Donde: a i = coeficiente estructural actual ara la capa existente i d i = espesor de la capa i m i = coeficiente de drenaje para la capa i Los coeficientes estructurales modificados consideran la presencia de fatiga o fisuras piel de cocodrilo, ahuellamiento, fisuras transversales o longitudinales y fallas localizadas en el pavimento existente. La nueva interfaz de DIPAV 2.0 permite modificar los cálculos de manera fácil y rápida, permitiendo eliminar cuantas capas desee, simplemente reduciendo el “Número de Capas” y haciendo clic en el botón Calcular, DIPAV 2.0 calculará automáticamente el nuevo SNef para el nuevo “Número de Capas” sin tener que introducir nuevamente el resto de los datos.
Nombre de Capa El Nombre y/o una descripción de cada capa incluida en los pavimentos existentes puede ser adjuntada para propósitos de referencia, el dato es de formato libre y no tiene influencia en el diseño.
Coeficiente estructural de pavimento existente Los coeficientes estructurales son un medio para estimar la resistencia relativa de los materiales usados en pavimentos. Los coeficientes estructurales asignados a los materiales para pavimentos en servicio deberían en la mayoría de los casos, ser menores que los valores que serían asignados a los mismos materiales para construcciones nuevas. Una excepción a esta regla general puede ser para materiales granulares no adheridos que no muestran signos de contaminación o degradación. Por ejemplo, una agencia puede usar 0.44 para una superficie asfáltica nueva de alta calidad, pero para propósitos de diseño de sobrecarpetas use un coeficiente reducido para el mismo material en un pavimento existente. Un valor de 0.34 se asigna si la sobrecarpeta asfáltica está en buenas condiciones 0.25 si su condición es regular y 0.15 si su condición es pobre. Los rangos de condición se realizan sobre la base de la cantidad de agrietamiento presente.
Actualmente está disponible una guía para seleccionar los coeficientes estructurales para materiales de pavimentos en servicio. Cada entidad debería adoptar su propio conjunto de valores. Algunos coeficientes estructurales sugeridos para materiales existentes se indican a continuación:
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Tabla 5.2. Coeficientes estructurales por condiciones de superficie Material Concreto Asfáltico
Base Estabilizada
Base o sub base granular
Condición de superficie
Coeficiente
Muy poca piel de cocodrilo y/o fisuras transversales de baja severidad. 10% de piel de cocodrilo de alta severidad y/o >10% de fisuras transversales de alta severidad Muy poca piel de cocodrilo y/o fisuras transversales de baja severidad 10% de piel de cocodrilo de alta severidad y/o >10% de fisuras transversales de alta severidad Sin evidencia de bombeo, degradación o contaminación por finos. Alguna evidencia de bombeo, degradación o contaminación por finos.
0,35-0,40 0,25-0,35
0,20-0,30
0,14-0,20
0,20-0,35 0,20-0,35 0,15-0,25
0,15-0,20
0,10-0,20
0,08-0,15 0,10-0,14 0,00-0,10
Coeficiente de drenaje El coeficiente de drenaje se introduce para cada capa debajo de la capa superficial en la estructural del pavimento existente. Un valor de 1.0 es por defecto para la capa superficial, puesto que valores diferentes de 1.0 son inapropiados para capas adheridas. Una guía para asignar coeficientes de drenaje para capas de pavimentos flexibles se encuentra en el capítulo 3.
Espesor El espesor actual para cada capa de pavimento existente se requiere para el cálculo del número estructural efectivo existente. El espesor actual puede ser obtenido de registros de la construcción, muestreo de testigos (corazones) u otras fuentes disponibles.
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Espesor de escarificado En forma previa a la construcción de la sobrecarpeta, algunas de las superficies de concreto asfáltico pueden ser escarificadas, con lo cual se retira el material dañado de la superficie, se elimina el ahuellamiento superficial, se mejora la adherencia entre el pavimento existente y la sobrecarpeta y se ayuda a mantenerlo despejado. Finalmente el número estructural efectivo del pavimento existente es corregido se corrige para reflejar la remoción de cualquier material superficial escarificado 3.1.2.2 Método de Vida Remanente
Figura 5.6. Método de Vida Remanente El método de Vida Remanente para determinar la capacidad estructural existente se basa en el concepto de reducir la capacidad estructural del pavimento a causa de los daños de fatiga acumulada. Las cargas actuales aplicadas a la fecha se comparan con las cargas totales para las cuales el pavimento se diseñó hasta su serviciabilidad terminal y sustraída de 100 para dar un porcentaje de la vida remanente (RL). La vida remanente entonces se usa para obtener un Factor
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de Condición (CF) usando la figura 5.2 de la Sección III de la Guía de Diseño AASHTO. El SN ef es entonces el producto del CF y el SN o del pavimento (cuando es nuevo). Para ingresar al Método de Vida Remanente, en la Sub-pestaña inicial, debe hacer clic en el botón Calcular correspondiente a éste método ó hacer clic en la sub-pestaña “Vida Remanente”.
Ejes Equivalentes pasados por carril de tráfico El cálculo del factor de vida remanente, requiere tanto del número de ESAL que el pavimento ha soportado hasta el presente y el número que es esperado que lleve hasta su serviciabilidad final. El tráfico pasado de ESAL por carril de diseño puede ser introducido directamente o si todos los datos del tráfico pasado están disponibles, ellos pueden ser calculados usando la sub-pestaña Número de Ejes Equivalentes. Para esto, en la sub-pestaña “Vida Remanente”, debe hacerse clic en el botón “Calcular” situado a la derecha de la casilla “ESALs de Tráfico Pasado”. Estos procedimientos que se han explicado en los capítulos 3 y 4 usan las proyecciones de tráfico para proveer un estimado de los ejes equivalentes acumulados en el carril de diseño.
Figura 5.7. ESALs de Tráfico Pasado
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ESALS para serviciabilidad terminal 1.5 En el cálculo del SNef usando el Método de Vida Remanente, el porcentaje de vida remanente requiere los cálculos del total de tráfico que el pavimento soportaría si se le permitiera mantenerse abierto hasta la falla. La falla se define en el contexto de la AASHTO cuando un pavimento alcanza la serviciabilidad 1.5. El cálculo del número de ESALS que un pavimento lleva hasta que alcanza la serviciabilidad terminal de 1.5, puede ser estimada usando las ecuaciones de diseño de pavimentos flexibles o los nomogramas de la Parte II de la Guía de Diseño AASHTO. Para mantener consistencia con los modelos desarrollados en el ensayo de carreteras de la AASHO, este procedimiento asume una confianza del 50%. Los ESALs para el pavimento existente también pueden ser calculados en DIPAV 2.0 en la subpestaña “Vida Remanente”, haciendo hace clic en el botón “Calcular” situado a la derecha de la casilla “ESALS para serviciabilidad terminal 1.5”, requiere datos del SNo (ya sea introducido directamente o calculado como se describe en el Método del Componente), la serviciabilidad inicial y el módulo resiliente de diseño (introducido directamente o calculado).
Número estructural de un pavimento nuevo existente después de escarificado El número estructural de un pavimento existente cuando está nuevo (SN o ) se calcula usando la misma sub-pestaña de análisis de componentes individuales en el pavimento, sin embargo, si la superficie del pavimento se debe escarificar antes de la construcción de una sobrecarpeta, el material removido no se considera en el cálculo del número estructural original. Un valor puede ser introducido directamente o calculado usando las propiedades estructurales de las capas. Para cada capa en la estructura del pavimento existente, estas propiedades incluyen el coeficiente estructural de la capa, el coeficiente de drenaje y el espesor. El espesor del escarificado también se introduce para que se descuente del valor original de la sobrecarpeta. El material removido no será considerado en el cálculo del número estructural, ya sea de la superficie o de la superficie y capas adicionales. Se debe enfatizar que los coeficientes estructurales en este cuadro de diálogo son para pavimentos nuevos y no para pavimentos en su condición actual. Resultados calculados En la parte inferior de esta ventana se presentan tres resultados calculados. El primero es el porcentaje de vida remanente (RL) que se calcula la siguiente ecuación: RL =
100*(1- (N p / N 1.5 )
(5.3)
Donde: RL = Vida remanente, porcentaje N p = Tráfico total a la fecha ESAL N 1.5 = Tráfico total a la falla del pavimento ESAL La vida remanente entonces se usa para obtener un factor de condición, de la relación gráfica mostrada en la figura 5.2 de la Guía de Diseño AASHTO. Finalmente, se calcula el SN ef del pavimento existente con la siguiente ecuación:
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SN ef = CF * SN O
(5.4)
Donde: CF = Factor de Condición SN O = Número estructural del pavimento si fuera construido nuevo 3.1.2.3 Método de ensayo no destructivo (NDT) El método de ensayo no destructivo para la determinación de SN ef se basa en asumir la capacidad estructural como una función de su espesor total y rigidez global. Se utilizan los resultados del deflectómetro de impacto retrocalculados con la siguiente ecuación: SN ef (mm) = 0.0024D 3�𝐸𝑝
(5.5)
3
Donde:
SN ef (in) = 0.0045D �𝐸𝑝
(5.6)
D = Espesor Total de todas las capas de pavimento sobre la subrasante, mm (in) E p = Módulo efectivo retrocalculado de las capas del pavimento sobre la subrasante kPa (psi)
Espesor total de todas las capas de pavimento existente El espesor total de todas capas de pavimento existente (D) es uno de los datos requeridos. Se introduce directamente y debe incluir el espesor de todas las capas sobre la subrasante, incluyendo la superficie. Módulo efectivo del pavimento calculado a partir de datos de campo El módulo efectivo del pavimento (E p ) es un valor obtenido de campo de la contribución estructural del pavimento existente. Su cálculo requiere un módulo resiliente de la subrasante y mediciones de deflexiones obtenidas con el deflectómetro de impacto (FWD). Este “Retrocálculo” se describe con mayor detalle más adelante en éste manual.
Espesor de fresado Cualquier material que sea escarificado no se cuenta en la contribución estructural del pavimento existente. El proceso de fresado se toma en cuenta cuando se determina el número estructural calculado.
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Figura 5.8. Método Ensayos no Destructivos
3.1.3. Diseño de espesor Una vez introducidos todos los datos requeridos, debe hacer clic en el botón Calcular Total de la pestaña inicial (primera pestaña) para que DIPAV 2.0 calcule el Número estructural de sobrecarpeta Sn ol . El valor de cálculo de Sn ol es simplemente la diferencia entre el SN f y SN ef , Los tres diferentes métodos para determinar el número estructural del pavimento existente producirán tres diferentes números estructurales de sobrecarpetas. A pesar de que los valores deberían ser similares, no existe ninguna razón para esperar que sean idénticos. El espesor de la sobrecarpeta se determina del Número Estructural de Sobrecarpeta como se explica en la subpestaña Diseño de Espesor.
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Figura 5.9. Diseño de Espesor Según el número de capas (se define en el botón “Dimensión”) debe introducirse el Nombre de Capa, el Coeficiente Estructural, el Coeficiente de Drenaje y asumir un Espesor Especificado. Antes de proceder con el cálculo, en la pestaña inferior debe elegirse el Método de Evaluación. Luego se entra a “Calcular” con lo que se verifica si el valor introducido es adecuado o no. En la última ventana Espesor Adecuado el programa por defecto calcula el espesor que cumple con el Número Estructural según el método empleado. Este valor ayuda a calcular el espesor que cumple con el diseño. En la figura 5.9 el valor elegido es 50 mm.
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3.2 SOBRECARPETA DE ASFALTO SOBRE LOSA DE HORMIGÓN FRACTURADA Pavimentos de hormigón severamente deteriorados pueden estar sujetos a las técnicas de “losa fracturada” como parte del proceso de rehabilitación de la sobrecarpeta. Estas técnicas incluyen fracturado/asentado y rotura/asentado. En cualquiera de estas técnicas, el efecto es que el tamaño de las piezas de hormigón debajo de la sobrecarpeta se reduce notoriamente. Con piezas más pequeñas para el hormigón, el movimiento de cada pieza en respuesta a los cambios en temperatura o cargas de tráfico es correspondientemente menor. Con este sistema se busca que el uso de las técnicas de losa fracturada reduzca el monto de la reflexión de fisuras en la sobrecarpeta, aunque este sistema llega en muchos casos a ser prohibitivo por el elevado costo de fracturar la losa. En este procedimiento de diseño de sobrecarpetas, el espesor de la sobrecarpeta es la diferencia entre el SN del pavimento nuevo que soportaría el tráfico futuro proyectado y el SN efectivo del pavimento existente.
Figura 5.10 Concreto asfáltico sobre hormigón previamente fracturado
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El SN de la sobrecarpeta se determina de la siguiente ecuación: SN ol = SN f - SN ef
(5.7)
Solamente está disponible un método para la determinación de SN ef en este procedimiento de diseño, el Método de Análisis de Componentes
3.2.1 Número estructural para tráfico futuro El Número Estructural para tráfico futuro (SN f ) se calcula usando el mismo procedimiento descrito en la sección Sobrecarpetas de Asfalto sobre Pavimentos de Asfalto. El valor puede ser introducido directamente o calculado con los datos apropiados.
Figura 5.11 Determinación de número estructural para tráfico futuro
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3.2.2 Numero estructural efectivo del pavimento existente El Número Estructural efectivo (SN ef ) para el pavimento existente es una medida de la capacidad remanente del pavimento existente. Cuando se diseña una sobrecarpeta de asfalto sobre una losa fracturada de hormigón, solo es aplicable un método de evaluación, el Método de Análisis de Componentes. En este cálculo, la capa de hormigón fracturado se cuenta como una capa base para un pavimento de asfalto, basado en la suposición de que el proceso de fractura altera completamente la contribución del pavimento existente. 3.2.2.1 Método de análisis de componentes La aplicación del Método de Análisis de Componentes es la misma que la descrita para la sobrecarpeta de concreto asfáltico sobre capa asfáltica. La siguiente guía adicional se ofrece para determinar los datos apropiados de las capas.
Figura 5.12 Cálculo por Análisis de Componentes
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Coeficiente de drenaje No existe guía insuficiente para las características de drenaje de pavimentos de hormigón fracturados, de manera que se recomienda un valor por defecto de 1.0 para coeficiente de drenaje.
Coeficiente estructural de capa Los siguientes coeficientes de capa se recomiendan para la losa de hormigón fracturada:
Material
Condiciones de losa
Coeficientes
Fracturado/ asentado
Piezas mayores a 0.3 m (1 pie) con refuerzo interrumpido o adherencia rota acero/hormigón
0.20 a 0.35
Rotura/ asentado
Piezas de 0.3 a 1.0 m (1-3 pies)
0.20 a 0.35
Hormigón demolido
Losa completamente fracturada con piezas menores que 0.3 m (1pie)
0.10 a 0.14
No evidencia de degradación o intrusión de finos
0.10 a 0.14
Alguna evidencia de degradación o intrusión de finos.
0.00 a 0.10
Base/subbase gra nular y estabilizada
Ref: Guía de Diseño AASHTO Parte III, Tabla 5.5
3.2.3 Número estructural calculado de sobrecarpeta Una vez introducidos todos los datos requeridos, debe hacer clic en el botón Calcular Total de la pestaña inicial (primera pestaña) para que DIPAV 2.0 calcule el Número estructural de sobrecarpeta Sn ol . El valor de cálculo de Sn ol es simplemente la diferencia entre el SN f y SN ef , El espesor de la sobrecarpeta se determina del Número Estructural de Sobrecarpeta como se explica en la subpestaña Diseño de Espesor.
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Figura 5.13 Diseño de Espesor Según el número de capas (se define en el botón “Dimensión”) debe introducirse el Nombre de Capa, el Coeficiente Estructural, el Coeficiente de Drenaje y asumir un Espesor Especificado. Antes de proceder con el cálculo, en la pestaña inferior debe elegirse el Método de Evaluación. Luego se entra a “Calcular” con lo que se verifica si el valor introducido es adecuado o no. En la última ventana Espesor Adecuado el programa por defecto calcula el espesor que cumple con el Número Estructural según el método empleado. Este valor ayuda a calcular el espesor que cumple con el diseño. En la figura 5.13 el valor elegido es 65 mm.
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3.3. SOBRECARPETA DE ASFALTO SOBRE PAVIMENTO DE HORMIGÓN Una sobrecarpeta de asfalto se puede diseñar usando este procedimiento sobre un pavimento de hormigón de cualquier tipo y que esté en adecuadas condiciones para recibir a ésta. Es también aplicable si una sobrecarpeta previa de asfalto se remueve para exponer completamente la capa subyacente de pavimento de hormigón. En el diseño de una sobrecarpeta de asfalto sobre un pavimento de hormigón, se calcula la diferencia entre los espesores requeridos para tráfico futuro y el espesor efectivo existente de la losa. Esta diferencia entonces se traslada a un espesor de sobrecarpeta de asfalto a través de un factor de conversión. En contraste a los otros procedimientos de diseño de sobrecarpetas, el resultado no es el número estructural de la sobrecarpeta sino el espesor de la misma. Esto se debe a que los cálculos de la capacidad estructural efectiva y la capacidad estructural futura usan la ecuación de diseño de pavimentos rígidos. El resultado es el espesor de la sobrecarpeta requerida de hormigón, el cual entonces se convierte a un espesor de asfalto equivalente.
Figura 5.14 Concreto asfáltico sobre pavimento de hormigón
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Los datos para este procedimiento de diseño incluyen el espesor del pavimento requerido para soportar los tráficos futuros proyectados y el espesor efectivo existente del pavimento, estimado ya sea por el Método de Medición de Condición ó por el Método de Vida Remanente. El resultado es directamente el espesor de la sobrecarpeta de asfalto.
3.3.1 Espesor de pavimento para tráfico futuro El espesor de la losa para tráfico futuro es el pavimento de hormigón requerido para soportar el tráfico futuro proyectado. Los datos para estos cálculos son idénticos a aquellos para el diseño de una losa nueva de hormigón, como se describe en detalle en la sección Módulo de Diseño de Pavimentos Rígidos. Los datos de diseño de pavimentos rígidos son los mismos porque las propiedades de la losa existente de hormigón y sus condiciones de soporte gobiernan el desempeño de esta sobrecarpeta.
Figura 5.15 Espesor para tráfico futuro
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Dos de los datos, el valor estático k y el valor del factor de transferencia de cargas puede ser calculado a partir de los datos de deflexión obtenidos con el deflectómetro de impacto. El uso de los procesos de cálculo se describe en la sección de Retrocálculo. 3.3.1.1 Ejes equivalentes de 80KN futuros sobre el período de diseño Las aplicaciones de ESAL de 80KN (18-kips) son el número acumulado de aplicaciones de ESAL que la sobrecarpeta del pavimento se espera que pueda llevar sobre su período inicial de desempeño (hasta que necesite otra sobrecarpeta estructural). Este valor puede introducirse directamente si se lo conoce o puede calcularse por el procedimiento DIPAV 2.0 haciendo clic en el botón Calcular ESALs, de la sub-pestaña “Espesor de pavimento para tráfico futuro”. En estos cálculos se usan los factores equivalentes de carga para pavimentos rígidos. 3.3.1.2 Serviciabilidad inicial La serviciabilidad inicial (p o ) es una medida de la suavidad del pavimento o facilidad de conducción inmediatamente después de la construcción. La serviciabilidad tiene un rango en una escala de 0 a 5. El valor 5 es el pavimento perfectamente suave, y 0 sería un pavimento impasable. En la mayoría de los casos, la serviciabilidad inicial de un pavimento nuevo debería estar sobre 4.0. El promedio de serviciabilidad inicial para pavimentos flexibles en el Ensayo de Carreteras de la AASHO fue 4.5. 3.3.1.3 Serviciabilidad final La serviciabilidad final (p t ) es la serviciabilidad mínima tolerable del pavimento antes de una rehabilitación. La serviciabilidad terminal está entre 2 y 3 en la mayoría de los casos, dependiendo de la clasificación funcional de la carretera, las recomendaciones para la selección de la serviciabilidad terminal se encuentran en la sección apropiada como parte del nuevo diseño. 3.3.1.4 Módulo de ruptura del hormigón El módulo de ruptura del hormigón (S´ c ) es el esfuerzo de tensión en la fibra extrema bajo la carga de rotura. Un valor puede ser introducido directamente o estimado usando uno de los siguientes métodos: A partir de testigos de 150 mm (6 pg) de diámetro, recuperados del centro de las losas, ensayadas a la tracción indirecta y calculado el esfuerzo de tensión indirecto en el hormigón, el módulo de ruptura se obtiene de la siguiente ecuación: S´ c (kPa) = 1450 + 1.02IT (kPa)
(5.8)
S´ c (psi) = 210 + 1.02IT (psi)
(5.9)
Donde: S´ c = Módulo ruptura del hormigón. IT = Esfuerzo indirecto de tensión en el hormigón.
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Usando el módulo elástico retrocalculado de la losa en la siguiente ecuación:
S´ c (kPa) = 43.5 [E(kPa)/106] + 3,370
(5.10)
S´ c (psi) = 43.5 [E(psi)/106] + 448.5
(5.11)
Donde: S´ c = Módulo ruptura del hormigón. E = Módulo elástico de la losa retrocalculado. 3.3.1.5 Módulo elástico del hormigón El módulo elástico del hormigón (E c ) es la medida de la rigidez de la losa. Mientras más alto sea el valor del módulo elástico, más rígida será la losa. Los esfuerzos, deformaciones y deflexiones son todos influenciados por el valor del módulo elástico. Si se conoce un valor actual, el mismo puede ser introducido directamente. Alternativamente, el módulo elástico puede ser retrocalculado usando los procedimientos descritos en la sección Retrocálculo. Finalmente, el módulo elástico puede ser estimado del módulo de ruptura basado en las siguientes relaciones entre las dos variables: E c (kPa) = 1,000,000 (S´ c (kPa)-3,370)/43.5
(5.12)
E c (psi) = 1,000,000 (S´ c (psi)-488.5)/43.5
(5.13)
Donde: S´ c = Módulo ruptura del hormigón a los 28 días. E c = Módulo elástico de la losa retrocalculado. 3.3.1.6 Valor estático k El módulo efectivo de reacción de la subrasante (k), es la medida del soporte provisto para la losa de hormigón por las capas inferiores. Se denomina módulo efectivo de reacción de la subrasante por que considera el soporte provisto por todas las capas subyacentes: Base, subbase y subrasante. Como tal, no debe confundirse con el modulo reacción de la subrasante para el material de suelo natural, el cual es típicamente determinado por ensayos de carga en placa. El módulo efectivo de reacción (k) puede ser directamente introducido como un valor simple. Un valor para la introducción puede ser obtenido de ensayos de placa realizado en diferentes ubicaciones donde la losa haya sido quitada o estimada de datos de suelo y tipo de base y espesores, de acuerdo con el procedimiento descrito en el capítulo 3. Alternativamente, el valor efectivo dinámico k puede ser retrocalculado en base a los procedimientos descritos en la sección Retrocálculo e importado en este cálculo. Un valor dinámico k, se convierte a un valor estático al dividirlo entre dos.
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3.3.1.7 Nivel de confianza El nivel de confianza (R) es la probabilidad expresada como porcentaje, es una medida de la incertidumbre y variabilidad inherente en los materiales de pavimentos, construcción y desempeño. Guía en los niveles de confianza se encuentra en el capítulo 3. En el desarrollo de procedimientos de diseño de sobrecarpetas, se encontró que un nivel de confianza del 95 por ciento da a los espesores de sobrecarpetas que fueran consistentes con la mayoría de los diseños desarrollados por agencias de carreteras. 3.3.1.8 Desviación estándar global La desviación estándar global (S o ) toma en cuenta todos los errores o variabilidad asociada con los datos de diseño y construcción, incluyendo la variabilidad en las propiedades de materiales, propiedades del suelo de fundación, estimaciones de tráfico, condiciones climáticas y calidad de construcción. En la parte III sección 5.2.15 de la Guía de Diseño AASHTO, se recomienda el uso de un valor de 0.39. 3.3.1.9 Coeficiente de transferencia de carga El coeficiente de transferencia de carga (J) se usa en el diseño de pavimentos rígidos para considerar el apoyo lateral provisto en las esquinas de la losa. Los dispositivos de transferencia de cargas, interacción de agregados, y la presencia de bermas de hormigón vinculadas tienen un efecto en este valor. Coeficientes de transferencia de carga más altos corresponden a menor soporte provisto para el pavimento. Con menor soporte, se espera que el pavimento sea más susceptible al bombeo, escalonamiento, roturas de esquinas y otros deterioros de juntas y esquinas relacionados con las cargas. Al proyectar un coeficiente de transferencia de carga para ESALs futuros, se proporciona una guía general para obtener un factor J de mediciones de transferencia de cargas. Para pavimentos de juntas sencillas y reforzadas, un porcentaje de transferencia de cargas se calcula al dividir las mediciones de deflexiones en la zona cargada de una junta y corregir con la corrección del factor de flexión de la losa (B). El porcentaje calculado de transferencia de carga se relaciona con el coeficiente de transferencia usando las siguientes guías: Porcentaje de transferencia de carga
J
> 70
3.2
50 a 70
3.5
< 50
4.0 Ref. AASHTO Guía de Diseño Parte III. Sección 5.6.5.
Si se añade una berma de hormigón vinculada durante la rehabilitación, un valor menor de coeficiente de transferencia puede ser apropiado. Las recomendaciones de arriba son para pavimentos con juntas. Para pavimentos continuamente reforzados, se recomienda un rango de 2.2 a 2.6 asumiendo que las fisuras trabajan y los baches son reparados apropiadamente. Ref. AASHTO Guía de Diseño Parte II. Sec. 2.4.2, Parte III, Sec. 5.8.5.
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3.3.1.10 Coeficiente global de drenaje El coeficiente de drenaje (C d ) es una medida de la capacidad de subdrenaje del pavimento existente siguiendo cualquier mejora de subdrenaje realizada como parte del proyecto de sobrecarpeta. Guía adicional para seleccionar el coeficiente de drenaje se encuentra en el capítulo 3.
3.3.2 Espesor existente efectivo del pavimento El espesor existente efectivo de la losa se calcula por cualquiera de los métodos de Medición de la Condición ó por el Método de la Vida Remanente. Estos métodos se describen a continuación. 3.3.2.1 Método de Estudio de Condición Se recomienda que la medición de condición para el pavimento existente se desarrolle antes del diseño de la sobrecarpeta. De particular interés es la presencia de fallas que indican deterioro estructural, sin embargo, cualquier condición que afecte el futuro desempeño de la sobrecarpeta debe notarse. En este procedimiento de diseño, las fallas de interés incluyen juntas deterioradas y fisuras, parches de profundidad completa, excepcionalmente juntas anchas o juntas de expansión, la presencia de problemas de durabilidad de material, evidencia de bombeo o fallas en las juntas.
Figura 5.16 Método Estudio de Condición
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La determinación del espesor efectivo (D ef ) por el método de medición de la condición involucra la evaluación de la condición actual del pavimento existente basado en sus fallas visibles y la calidad del material del pavimento existente. Cuando todos los datos son provistos, el espesor efectivo del pavimento de hormigón existente se calcula de la siguiente ecuación: D ef = F jc * F dur * F fat * D (5.14) Donde: F jc = Factor de ajuste de juntas y fisuras F dur = Factor de ajuste de durabilidad del hormigón F fat = Factor de ajuste de daño por fatiga D
= Espesor existente de losa de hormigón en mm (pg)
Espesor existente del pavimento El espesor de la capa existente de la superficie del pavimento (D) es uno de los datos, este espesor eventualmente modificado por los factores de ajuste que toman en cuenta la condición actual del pavimento de modo de llegar a un espesor efectivo.
Factor de ajuste por durabilidad El factor de ajuste por durabilidad F dur ajusta por una pérdida extra en PSI (serviciabilidad) de la sobrecarpeta cuando la losa existente tiene problemas de durabilidad como ser fisuras D o fallas por agregados reactivos. Usando registros históricos y medición de datos de condición, F dur se determina como sigue:
F dur
Condición del Pavimento
1.00
Sin evidencia o historia de problemas de durabilidad.
0.96-0.99
Se conocen problemas de durabilidad del pavimento pero no existen desportilladuras visibles.
0.88-0.95
Fisuración y desportilladuras existentes (en estas condiciones una sobrecarpeta adherida no es recomendada).
Ref. Guía de diseño AASHTO, Parte III, tabla 5.8.
Factor de ajuste de daño por fatiga El factor de ajuste de daño por fatiga (F fat ) ajusta por los daños de fatiga pasados en la losa. Se determina por la observación de la extensión de fisuras transversales (juntas sencillas y reforzadas) o desportilladuras (pavimentos continuamente reforzados) que pueden ser causados principalmente
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por cargas repetidas. Usando los datos de medición de la condición y las siguientes guías, F fat en la línea de diseño puede ser estimada.
F fat
Condición del Pavimento
0.97-1.00
Pocas fisuras o desportilladuras transversales existentes (ninguna causada por fisuras D o fallas de agregados reactivos). Pav. Rígido de juntas simples menos del 5% de losas fracturadas. Pav. Rígido de juntas simples y refuerzo menos de 15 fisuras de trabajo por km. Pavimento continuamente reforzado menos de 2.5 baches por km.
0.94-0.96
Un número significativo de fisuras/baches existentes (ninguna causada por fisuras D o fallas de agregados reactivos). Pav. Rígido de juntas simples: 5 a 15% de losas rajadas. Pav. Rígido de juntas simples y refuerzo: 15 a 45 fisuras de trabajo por km. Pavimento continuamente reforzado: 2.5 a 7.5 desportilladuras por km.
0.90-0.93
Un gran número de fisuras/baches trasnversales existentes (ninguna causada por fisuras D o fallas de agregados reactivos). Pav. Rígido de juntas simples: más del 15% de losas rajadas. Pav. Rígido de juntas simples y refuerzo: más del 45% de fisuras de trabajo por km. Pavimento continuamente reforzado: más del 7.5 desportilladuras por km.
Ref. Guía de diseño AASHTO, Parte III, tabla 5.8.
Factor de ajuste por juntas y fisuras El factor de ajuste por juntas y fisuras (F jc ) toma en cuenta la pérdida extra de serviciabilidad causada por el deterioro de reflejo de fisuras en la sobrecarpeta que se desarrollan a causa de las juntas no reparadas, fisuras y otras discontinuidades en la losa existente antes de la sobrecarpeta. Una junta o losa deteriorada rápidamente se reflejará a través de la sobrecarpeta y contribuirá a la pérdida de serviciabilidad. Por tanto se recomienda que todas las fisuras, deterioros reflejados y discontinuidades mayores en el pavimento existente sean reparados en su profundidad completa antes de realizar la sobrecarpeta, de manera que F jc sea igual a 1.00. Si no es posible reparar todas las áreas deterioradas, F jc se calcula usando los siguientes datos: Valores aplicables se obtiene, suman y usan con la figura 5.12 en la Parte III, Capítulo 5 de la Guía de Diseño AASHTO para obtener el valor apropiado de F jc .
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Número de juntas deterioradas no reparadas. Una junta deteriorada es la que muestra desportilladuras, fallas en las barras pasajuntas u otras fallas (no materiales) de severidad media o alta. Estas se cuentan en una base de promedio por kilómetro (o milla).
Número de fisuras deterioradas no reparadas Las fisuras deterioradas de interés son fisuras transversales de mediana o alta severidad. Fisuras que permanecen unidas por el refuerzo que no presentan escalonamientos, desportilladuras, u otros signos de deterioro no se toman en cuenta. Nuevamente estos se reportan en una base por kilómetro (o milla).
Número de baches no reparados Las fallas de baches son de profundidad total en las cuales el acero se ha roto y el hormigón presenta baches en la base. Estas se cuentan por kilómetro (o milla).
Número de juntas de expansión, juntas excepcionalmente anchas o parches de profundidad completa en asfalto Las juntas de expansión, juntas excepcionalmente anchas (mayores a 25-mm (1pg)), y parches de profundidad completa en asfalto se cuentan en una base por kilómetro (o milla). Las juntas de expansión adyacentes a una estructura no se cuentan. 3.3.2.2. Método de vida remanente Este método para determinar el espesor efectivo del pavimento requiere del cálculo de los ESALs soportados por el carril de diseño hasta la fecha y los ESALs que el pavimento soportará hasta el momento que alcance una serviciabilidad terminal de 1.5. También se requiere el espesor actual del pavimento, el cual se modifica por un factor de condición para llegar al espesor efectivo de la losa. El espesor efectivo de la losa entonces es sustraído del espesor de losa requerido para el nuevo tráfico para determinar un espesor de sobrecarpeta.
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Figura 5.17 Método de vida remanente
Tráfico de ESALs pasados en el carril de diseño El cálculo del factor de vida remanente requiere ambos, el número de ESALs que el pavimento ha soportado hasta la fecha y los ESALs que el pavimento soportará hasta el momento que alcance su serviciabilidad terminal. El tráfico soportado en ESALs por el carril de diseño puede ser introducido directamente, o si existen datos disponibles de tráfico pasado, este puede ser calculado usando los procedimientos propios de DIPAV.
ESALs para la serviciabilidad terminal de 1.5 Al calcular el espesor efectivo de la losa (D ef ) usando el método de vida remanente, el porcentaje de vida remanente requiere el cálculo del tráfico total que el pavimento podría soportar si se le permitiría mantenerse abierto hasta la “falla”. Esta falla definida en el contexto de la AASHTO, se produce cuando el pavimento alcanza una serviciabilidad de 1.5. El cálculo del número de ESALs que un pavimento podría soportar cuando alcance una serviciabilidad de 1.5 puede ser estimada usando las ecuaciones de diseño de pavimentos rígidos o los nomogramas de la Parte II de la Guía
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de Diseño AASHTO. El uso de este procedimiento asume un factor de confianza del 50 por ciento para ser consistente con los valores asumidos que se usan en el desarrollo de las ecuaciones de diseño de AASHTO.
Figura 5.18 ESALs Terminales para Pavimento Existente Para calcular los ESALs terminales para los pavimentos existentes en DIPAV 2.0, en la sub-pestaña “Vida Remanente” debe hacer clic en el botón Calcular situado al lado derecho de la casilla “ESALs para Serviciabilidad final de 1.5”. Los valores requeridos incluyen el espesor existente de la losa, la serviciabilidad inicial del pavimento, el módulo de ruptura, el módulo elástico del hormigón, el valor estático “k”, el factor de transferencia de carga y un coeficiente global de drenaje. El resultado son los ESALs terminales. Los datos adicionales que se requieren para usar la ecuación AASHTO - la serviciabilidad terminal, nivel de confianza y desviación estándar - están todos codificados dentro para conformar el uso recomendado de este procedimiento en la Guía AASHTO.
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Espesores de hormigón existentes Los espesores de las losas existentes se introducen. Esto puede obtenerse de corazones (testigos), registros de construcción, planos “As Build” u otros registros,
Serviciabilidad inicial Se introduce la serviciabilidad inicial del pavimento después de la construcción. Si el valor es desconocido, se pueden usar valores típicos promedio. Mayor información acerca de la serviciabilidad inical se encuentran en el capítulo: Módulo de Diseño de Pavimentos Rígidos.
Módulo de ruptura del hormigón El módulo de ruptura del hormigón (S´ c ) puede ser introducido directamente basado en los registros de diseño o construcción o determinado por uno de los siguientes métodos: 1.
Extracción de varios testigos de 150 mm (6 pg) de diámetro, recuperados de una sección intacta del centro de las losas, y ensaye a tracción indirecta (ASTM C496). Cálculo del esfuerzo de tensión indirecto en los testigos y estimación el módulo de ruptura de la siguiente ecuación: S´ c (kPa) = 1450 + 1.02IT (kPa)
(5.15)
S´ c (psi) = 210 + 1.02IT (psi)
(5.16)
Donde: S´ c = Módulo ruptura del hormigón. IT = Esfuerzo indirecto de tensión en el hormigón. 2.
Estime el módulo elástico retrocalculado de la losa en la siguiente ecuación: S´ c (kPa) = 43.5 [E(kPa)/10^6] + 3,370
(5.17)
S´ c (psi) = 43.5 [E(psi)/10^6] + 448.5
(5.18)
Donde: S´ c = Módulo ruptura del hormigón. E = Módulo elástico de la losa retrocalculado. Para pavimentos continuamente reforzados, S´ c puede ser determinado del valor retrocalculado E c con valores solamente en puntos que no tienen fisuras dentro de los límites de la deflexión.
Módulo elástico del hormigón El módulo elástico del hormigón (E c ) puede ser calculado usando uno de los siguientes métodos:
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•
Retrocalculado de mediciones de deflexión. Los valores típicos de E c varían desde 21,000 a 56,000 MPa (3 a 8 millones de psi). Si un valor E c de una losa se obtiene y está fuera de este rango, debe existir un error en el espesor asumido. El cuenco de deflexión debe haber sido medido sobre una fisura o el hormigón debe estar significativamente deteriorado. Si un espesor de sobrecarpeta simple se ha diseñado para una sección uniforme, calcule el valor medio E c para las losas ensayadas en la sección uniforme. Este procedimiento se usa en el Módulo de retrocálculo de DIPAV 2.0.
•
Estimado del esfuerzo indirecto de tensión. El módulo elástico del hormigón puede ser determinado del ensayo de tensión indirecto que puede ser realizado en laboratorio. Este valor puede ser usado como un dato directo en DIPAV 2.0. Ref: Guía de Diseño AASHTO, Parte II, Sección 5.6.5.
Valor estático k El valor estático k que es el valor requerido para el diseño, puede ser determinado de uno de los siguientes métodos: •
• •
Retrocalcular el módulo k dinámico de los datos de los cuencos de deflexión. Dividir el valor efectivo dinámico k entre 2 para obtener el valor estático efectivo k. El valor estático efectivo puede necesitar ser ajustado para efectos estacionales usando el método presentado en la parte II Sección 3.2.1 de la Guía de Diseño AASHTO. Conducir ensayos de placa (ASTM D 1196) después de quitar la losa en varios sitios. Esta alternativa es cara y requiere tiempo y no se usa muy a menudo. El valor estático k obtenido puede necesitar ajustes por efectos estacionales (ver parte II Sección 3.2.1). Estimarlo de datos de suelos y tipos de base y espesores, usando la figura 33 en la parte II, Sección 3.3 en la parte II, Sección 3.2 de la Guía de Diseño AASHTO. Esta alternativa es simple, pero el valor estático k obtenido debe ser reconocido como un estimado aproximado. El valor estático puede necesitar ajuste para efectos estacionales (vea la parte II, Sección 3.2.1).
Coeficiente de transferencia de carga El coeficiente de transferencia de carga (J) es una medida de la capacidad del pavimento existente para distribuir la carga a través de las juntas. Una guía en la selección del coeficiente de transferencia de carga se encuentra en la discusión asociada en el capítulo 3.
Coeficiente global de drenaje El coeficiente de drenaje (C d ) incorpora el efecto de drenaje en la vida del pavimento rígido. El efecto del drenaje en el desempeño del pavimento es una función de la calidad del drenaje (Ej. el tiempo requerido para que el pavimento drene) y la cantidad de tiempo durante el año que la estructura de pavimento está expuesta a niveles de saturación. Una guía en la selección del coeficiente de drenaje se encuentra en la sección correspondiente del capítulo 3.
Resultados calculados Los resultados calculados incluyen el porcentaje de vida remanente y el factor de condición. Estos son cálculos internos y el espesor existente de la losa se multiplica por el factor de condición para llegar el espesor efectivo existente, el cual puede entonces ser exportado a la ventana primaria.
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3.3.3 Espesor calculado de sobrecarpeta de asfalto En la pestaña principal de este procedimiento de diseño, el resultado calculado es el espesor de la sobrecarpeta de asfalto. Esto se calcula al multiplicar la diferencia entre el espesor del pavimento por el tráfico futuro y el espesor efectivo del pavimento existente por un factor de conversión (A) que convierte los espesores de hormigón en un espesor de sobrecarpeta de asfalto. Esto se muestra en la siguiente ecuación: D ol = A*( D f -D ef )
(5.19)
Donde: D ol = Espesor de la sobrecarpeta de asfalto, mm (pg) A (mm) = factor para convertir el espesor de la losa de hormigón por deficiencia en espesor de sobrecarpeta de asfalto = 2.2233 + 1.53*10-5(D f -D ef ) 2 - 6.04*10-3(D f -D ef ) A (pg) = factor para convertir el espesor de la losa de hormigón por deficiencia en espesor de sobrecarpeta de asfalto = 2.2233 + 9.9*10-3(D f -D ef ) 2 – 0.1534(D f -D ef ) D f = Espesor de pavimento para tráfico futuro, mm (pg) D ef = Espesor efectivo del pavimento existente mm (pg) En el ejemplo, una vez introducidos todos los datos requeridos, debe hacer clic en el botón Calcular Total de la pestaña inicial (primera pestaña) para que DIPAV 2.0 calcule el espesor de sobrecarpeta D ol . El valor de cálculo de D ol es simplemente la diferencia entre el D f y D ef , multiplicado por el factor A. Los métodos para determinar el número estructural del pavimento existente producirán dos diferentes números estructurales de sobrecarpetas. A pesar de que los valores deberían ser similares, no existe ninguna razón para esperar que sean idénticos. El diseñador podrá escoger de los valores el más adecuado, en este caso entre 160 y 110 mm.
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Figura 5.19. Diseño de espesor de sobrecarpeta
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3.4. SOBRECARPETA DE ASFALTO SOBRE PAVIMENTO DE ASFALTO/HORMIGÓN Una sobrecarpeta de asfalto puede ser construida sobre un pavimento de hormigón previamente recapado sin necesidad de remover la capa previa de asfalto. Para diseñar esta sobrecarpeta, el espesor efectivo de la estructura existente es calculada (el único procedimiento disponible para obtener esto es el método de Estudio de Condición) y sustraída del espesor de la losa diseñada para soportar el tráfico proyectado. Este espesor es entonces modificado por un factor que convierte el espesor del hormigón en un espesor equivalente de sobrecarpeta de asfalto.
Figura 5.20 Concreto asfáltico sobre pavimento de asfalto/hormigón
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La ecuación para el cálculo del espesor de sobrecarpeta se provee a continuación: D ol = A*( D f -D ef )
(5.20)
Donde: D ol = Espesor de la sobrecarpeta de asfalto, mm (pg) A (mm) = factor para convertir el espesor de la losa de hormigón por deficiencia en espesor de sobrecarpeta de asfalto = 2.2233 + 1.53*10-5(D f -D ef ) 2 - 6.04*10-3(D f -D ef ) A (pulg) = factor para convertir el espesor de la losa de hormigón por deficiencia en espesor de sobrecarpeta de asfalto = 2.2233 + 9.9*10-3(D f -D ef ) 2 - 1.534(D f -D ef ) D f = Espesor de Pavimento para tráfico futuro, mm (pg) D ef = Espesor efectivo del pavimento existente mm (pg)
3.4.1 Espesor de pavimento para tráfico futuro El espesor del pavimento para tráfico futuro (D f ) se puede introducir directamente o calcularlo en base a los datos especificados en la Guía de Diseño AASHTO. Los datos para estos cálculos son idénticos a aquellos para el mismo cálculo en el diseño de la sobrecarpeta de asfalto en un pavimento de hormigón.
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Figura 5.21 Espesor de pavimento para tráfico futuro
3.4.2 Espesor efectivo de pavimento existente El espesor efectivo de pavimento existente (D ef ) es una medida de la contribución de la estructura existente a la capacidad global de soporte de carga del pavimento. El término “efectivo” se usa para indicar que la capacidad de soporte de carga de la estructura existente es reducida. Esto es esperado ya que el pavimento está ingresando al menos a su tercera rehabilitación. En el diseño de una sobrecarpeta de asfalto sobre un pavimento de hormigón que ya tiene una sobrecarpeta de asfalto, la contribución estructural al pavimento existente se calcula usando el Método de Medición de Condición. Este método involucra la estimación de la condición actual del pavimento basado en las fallas visibles y la calidad del material del pavimento existente. Los datos requeridos incluyen el espesor del pavimento existente, el espesor de la sobrecarpeta de asfalto, cualquier espesor de escarificado, un factor de ajuste por durabilidad, un factor de ajuste por calidad de asfalto y los siguientes deterioros: número de fisuras deterioradas no reparadas, desportilladuras, juntas de expansión, juntas excepcionalmente anchas y parches de asfalto en
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profundidad completa. Los resultados son el factor de ajuste de juntas y fisuras internamente calculado y el espesor efectivo del pavimento existente. Se recomienda que el diseñador use este método para evaluar el pavimento y entonces seleccionar un D ef apropiado basado en este resultado, experiencia previa de la agencia y juicio de ingeniería.
Figura 5.22 Espesor efectivo – Método Estudio de Condición
Espesor de hormigón existente El espesor de la capa de hormigón debajo de la sobrecarpeta de asfalto se requiere para “retrocalcular” los valores del módulo de capas del pavimento. Un espesor puede ser obtenido de registros de construcción o mediante testigos. El espesor es eventualmente reducido por factores determinados de los resultados de la medición de inspecciones visuales.
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Espesor de asfalto existente El espesor existente de la sobrecarpeta de asfalto también se requiere en el proceso de “retrocálculo”. Este espesor puede ser obtenido de los registros de construcción o de muestras testigo. Aún si se planea un escarificado antes de la colocación de la sobrecarpeta, el espesor total de la capa de asfalto se debe introducir.
Espesor de escarificado El escarificado de la sobrecarpeta de asfalto existente se realiza para retirar el material deteriorado, eliminar ahuellamiento en la superficie o mejorar la adherencia entre el asfalto existente y la sobrecarpeta. La profundidad introducida del escarificado será sustraída del espesor global existente en los cálculos de la contribución estructural del material de asfalto existente.
Factor de ajuste por durabilidad Este factor ajusta la pérdida adicional en PSI (serviciabilidad) de la sobrecarpeta cuando la losa existente tiene problemas de durabilidad como ser fisuras D o fallas por agregados reactivos. Usando registros históricos y medición de datos de condición, F dur se determina como sigue:
F dur
Condición del Pavimento
1.00
Sin evidencia o historia de problemas de durabilidad.
0.96-0.99
Se conocen problemas de durabilidad del pavimento pero no existen fallas localizadas o deterioros visibles.
0.88-0.95
Algunas fallas de durabilidad son visibles en la superficie del pavimento.
0.80-0.88
Fallas extensas son visibles en la superficie del pavimento.
Ref. Guía de diseño AASHTO, Parte III, tabla 5.10.
Factor de ajuste por calidad de asfalto. El factor de ajuste por calidad del asfalto F ac , ajusta la contribución de las capas de asfalto existentes a D ef basado en su calidad. El valor que se selecciona depende solamente de los deterioros de la capa de asfalto y que no son eliminados por escarificado superficial. Esto debería incluir ahuellamiento, descascaramiento, desplazamiento e intemperismo. Sin embargo, si estos deterioros todavía se encuentran presentes después del escarificado, se debe tomar en consideración el retiro completo de la capa de asfalto. Las siguientes recomendaciones se dan para estimar F ac .
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F ac
Condición observada de la superficie de asfalto
0.96-0.99
Menores deterioros de asfalto (intemperismo y ondulaciones) no corregidas con el escarificado superficial
0.88-0.95
Deterioros significativos del material de asfalto (ahuellamientos, descascaramientos, desplazamientos).
0.80-0.88
Severo deterioro del asfalto (ahuellamientos, descascaramientos, desplazamientos).
Ref. Guía de diseño AASHTO, Parte III, tabla 5.10.
Factor de ajuste por juntas y fisuras El factor de ajuste por juntas y fisuras (F jc ) para sobrecarpetas de asfalto sobre asfalto/hormigón considera el número de fisuras no reparadas por reflejo de fisuras, baches, juntas de expansión, juntas excepcionalmente anchas y parches de profundidad total. Las fisuras reflejadas pueden indicar una capa inferior no reparada, juntas deterioradas, fisuras, juntas de expansión y otras discontinuidades en la losa existente antes de la sobrecarpeta. Una junta o losa deteriorada, rápidamente se reflejará a través de la sobrecarpeta y contribuirá a la pérdida de serviciabilidad y desempeño pobre. Por tanto se recomienda que todas las fisuras deterioradas y reflejadas (y otras discontinuidades mayores en el pavimento existente) sean reparadas en profundidad completa antes de realizar la sobrecarpeta, de manera que se pueda usar F jc igual a 1.00. Si no es posible reparar todas las áreas deterioradas, F jc se calcula en base a los datos descritos previamente en la sección titulada Sobrecarpetas de Asfalto sobre Pavimentos de Hormigón.
Número de juntas deterioradas reflejadas no reparadas Las fisuras reflejadas deterioradas que son de interés son las juntas transversales de severidad media o alta. Estas se reportan en promedio por km. (o milla).
Número de baches no reparados Las fallas de baches son de profundidad total en pavimentos continuamente reforzados, en los cuales el acero se ha roto y el hormigón es perforado hacia la base. Estas se cuentan por kilómetro (o milla). La identificación de baches en un pavimento reencarpetado puede ser difícil y requerir ensayos adicionales para completar la medición de fallas.
Número de juntas de expansión, juntas excepcionalmente anchas o baches de profundidad completa en asfalto Las juntas de expansión, juntas excepcionalmente anchas (mayores a 25-mm (1pg)), y baches de profundidad completa en asfalto se cuentan por kilómetro (o milla). Las juntas de expansión adyacentes a una estructura no se cuentan. Estas serán difíciles de identificar a menos que se hayan reflejado a través de la sobrecarpeta de asfalto pero pueden ser identificadas de registros anteriores.
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Resultados calculados Existen dos opciones calculadas de estos datos. El primero es el factor de ajuste por juntas y fisuras, F jc , el cual se describe en detalle en la sección previa. El valor actual se obtiene de las relaciones gráficas entre F jc y las fallas observadas, como se muestra en la figura 5.12 de la Parte III, Sección 5 de la Guía de Diseño AASHTO. La otra salida calculada es el espesor efectivo del pavimento existente.
3.4.3 Espesor de sobrecarpeta El espesor efectivo del pavimento existente es una medida de la contribución a las capas existentes a la capacidad de soporte de carga de la estructura global. El espesor efectivo D ef , se calcula de la siguiente ecuación: D ef = (D PCC *F jc * F dur ) + (D ac / 2.0)*F ac
(5.21)
Donde: D ef = Espesor efectivo del pavimento existente mm (pg) D PCC = Espesor de la losa existente de hormigón, mm (pg) F jc = Factor de ajuste por juntas y fisuras F dur = Factor de ajuste por durabilidad del hormigón D ac = Espesor de la superficie existente de asfalto mm (pg) D ac = Espesor de la superficie existente de asfalto mm (pg) F ac = Factor de ajuste de calidad del asfalto. En el ejemplo, una vez introducidos todos los datos requeridos, debe hacer clic en el botón Calcular Total de la pestaña inicial (primera pestaña) para que DIPAV 2.0 calcule el espesor de sobrecarpeta D ol . El valor de cálculo de D ol es simplemente la diferencia entre el SN f y SN ef multiplicado por el factor A. En el ejemplo, el espesor de sobrecarpeta es de 140 mm
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Figura 5.23 Diseño de Espesor
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3.5. SOBRECARPETA DE HORMIGÓN ADHERIDA SOBRE PAVIMENTO DE HORMIGÓN Una sobrecarpeta adherida sobre un pavimento de hormigón es uno de los tres procedimientos disponibles para el diseño de sobrecarpetas de hormigón. El desempeño exitoso de una sobrecarpeta adherida depende de mediciones activas tomadas para asegurar que existe adherencia entre el pavimento existente y la nueva sobrecarpeta, y usualmente requiere que el pavimento subyacente esté en buenas condiciones estructurales. La ecuación usada para calcular el espesor de la sobrecarpeta, D ol , es simplemente la diferencia entre el espesor de la losa necesario para soportar el tráfico futuro proyectado, D f y el espesor efectivo (contribución estructural) de la losa existente, D ef . Se usan dos métodos para calcular la contribución estructural del pavimento existente, el Método de Medición de Condición y el Método de Vida Remanente.
Figura 5.24 Hormigón adherido sobre pavimento de hormigón
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3.5.1 Espesor de pavimento para tráfico futuro El espesor del pavimento para tráfico futuro D f , usa el procedimiento de diseño de pavimento rígido para obtener un espesor de losa. Los datos para estos cálculos son idénticos a los descritos para el mismo cálculo en el diseño de sobrecarpeta de asfalto sobre un pavimento de hormigón.
Figura 5.25 Datos de entrada para cálculo de tráfico futuro Es importante reconocer que con las sobrecarpetas de hormigón adheridas, son las propiedades del pavimento subyacente las que controlan el desempeño de la sobrecarpeta. Por tanto, los siguientes datos se basan en el pavimento existente: el valor efectivo estático k, el factor de transferencia de carga (J), el módulo de ruptura del hormigón y el módulo elástico de la losa.
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3.5.2 Espesor efectivo existente El Método de Medición de la Condición y el Método de Vida Remanente pueden usarse para calcular el espesor efectivo del pavimento existente. 3.5.2.1. Método de estudio de condición En este procedimiento, el resultado de una medición de las condiciones en el campo se usa para determinar la contribución estructural del pavimento existente.
Figura 5.26 Método estudio de condición para pavimento de hormigón adherido Los datos y resultados son idénticos a aquellos discutidos para el diseño de una sobrecarpeta de asfalto sobre un pavimento de hormigón.
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3.5.2.2 Método de vida remanente Este método es una forma alternativa para calcular la contribución del pavimento existente a la estructura global. Considera cuanto tráfico ha soportado el pavimento y cuanto más está proyectado hasta que alcance la serviciabilidad final de 1.5. Esto da una relación de vida remanente, la cual se usa para calcular un factor de condición. Este factor modifica el espesor actual del pavimento existente en un espesor efectivo. Las ecuaciones usadas en estos cálculos se muestran a continuación: D ef = CF * D
(5.22)
Donde:
CF es una función de la vida remanente, RL (mostrada en la figura 5.2 de la Guía).
RL = 100*(1 - ( N p / N 1.5 )
(5.23)
Donde:
RL = Vida remanente, porcentaje N p = Tráfico total a la fecha ESAL N 1.5 = Tráfico total en ESAL para una serviciabilidad terminal de 1.5 D = Espesor actual de la losa existente, mm (pg)
Estos datos se describen en el procedimiento de diseño de sobrecarpetas de asfalto sobre hormigón.
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Figura 5.27 Método vida remanente para pavimento de hormigón adherido
3.5.3 Espesor de sobrecarpeta El espesor calculado es simplemente la diferencia entre el pavimento de hormigón necesario para soportar todas las cargas y el espesor efectivo del pavimento existente.
D ol = D f -D ef
(5.24)
Con una sobrecarpeta adherida, se espera que la sobrecarpeta y el pavimento existente se comporten en forma monolítica y no se requiere posteriores modificaciones a la contribución del pavimento existente.
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En el ejemplo, una vez introducidos todos los datos requeridos, debe hacer clic en el botón Calcular Total de la pestaña inicial (primera pestaña) para que DIPAV 2.0 calcule el espesor de sobrecarpeta D ol . El valor de cálculo de D ol es simplemente la diferencia entre el D f y D ef . Los métodos para determinar el número estructural del pavimento existente producirán dos diferentes números estructurales de sobrecarpetas. A pesar de que los valores deberían ser similares, no existe ninguna razón para esperar que sean idénticos. El diseñador podrá escoger de los valores el más adecuado, en este caso entre 75 y 55 mm.
Figura 5.28 Cálculo del espesor sobrecarpeta
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3.6 SOBRECARPETA DE HORMIGÓN NO ADHERIDA SOBRE PAVIMENTO DE HORMIGÓN Una sobrecarpeta no adherida de pavimento de hormigón puede ser construida ya sea sobre un pavimento de hormigón existente o sobre una sobrecarpeta de asfalto que descansa sobre hormigón. En la construcción de una sobrecarpeta no adherida, se toman mediciones activas para asegurar que no exista adherencia entre la sobrecarpeta y las capas subyacentes. Las sobrecarpetas no adheridas son factibles y competitivas en cuanto a su costo cuando la condición estructural del pavimento subyacente no es buena. Mayor información acerca de las sobrecarpetas no adheridas se encuentra en la Parte III, Sección 5.9 de la Guía de Diseño AASHTO y en el Manual de Diseño de Sobrecarpetas que se ha preparado con este software.
Figura 5.29 Hormigón no adherido sobre pavimento de hormigón
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Para diseñar una sobrecarpeta no adherida, se determinan los espesores del pavimento requerido para soportar el tráfico proyectado y la contribución estructural del pavimento existente. El Método de Medición de Condición y el Método de Vida Remanente son válidos para calcular la contribución estructural del pavimento existente. La ecuación usada para calcular el espesor de la sobrecarpeta no adherida, D ol a partir de D f y de D ef se muestra a continuación, donde los términos son los mismos que se han definido previamente.
2 D ol = �𝐷𝑓2 – 𝐷𝑒𝑓𝑓
P
(5.25)
3.6.1 Espesor de pavimento para tráfico futuro
El espesor de pavimento requerido para soportar el tráfico futuro proyectado se puede introducir directamente o calcularlo a partir de los mismos datos que se describen para el cálculo en el diseño de una sobrecarpeta de asfalto de un pavimento de hormigón.
Es importante reconocer que con sobrecarpetas no adheridas, son las propiedades de la carpeta misma (no así las propiedades del asfalto y hormigón antiguos) las que controlan el desempeño de la sobrecarpeta. El pavimento existente que está indudablemente en condiciones pobres, se trata solamente como una buena base de apoyo para la sobrecarpeta. A causa de que la sobrecarpeta no adherida se espera que provea toda la capacidad estructural, el “retrocálculo” puede solamente ser usado para establecer el valor estático “k”. El factor de transferencia de carga (J), el módulo de ruptura del hormigón y el módulo elástico de la losa todos deben estar basados en las condiciones globales del pavimento siguiendo cualquier mejora en el subdrenaje.
3.6.2 Espesor Efectivo Existente
El método de Medición de Condición y el Método de Vida Remanente pueden usarse para calcular el espesor efectivo existente del pavimento.
3.6.2.1 Método de Estudio de Condición
En este método, para determinar el espesor efectivo del pavimento, D ef , se realiza una medición de campo para registrar la presencia de fallas de juntas deterioradas y fisuras, juntas excepcionalmente anchas, juntas de expansión y espesores de reparación de espesor completo.
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Éstas se usan para obtener el factor de ajuste por juntas y fisuras, el cual modifica el espesor existente de la losa para así obtener el espesor efectivo.
Espesor existente del pavimento Se requiere determinar el espesor del pavimento existente el que será reducido por el factor de ajuste de juntas y fisuras para sobrecarpetas no adheridas (F jcu ). Si este espesor excede 250 mm (10 pulg), entonces se considera el valor máximo de 250 mm. Si existe una sobrecarpeta de asfalto presente, su espesor no se considera.
Factor de ajuste por juntas y fisuras El factor de ajuste por juntas y fisuras para sobrecarpetas no adheridas (D ef ) toma en cuenta las juntas deterioradas, fisuras y juntas anchas o parches de asfalto. El número por kilómetro (o milla) se añade y D ef se obtiene de la relación mostrada en la Parte III, figura 5.13 de la Guía de Diseño AASHTO.
Número de juntas deterioradas no reparadas. Una junta deteriorada es una que muestra desportilladuras, deterioro en las barras pasajuntas y otras fallas de severidad media o alta (pero no de materiales). Estas se cuentan en una base de promedio por kilómetro (o milla).
Número de fisuras deterioradas no reparadas Las fisuras deterioradas de interés son fisuras transversales de mediana o alta severidad. Fisuras que se mantienen juntas por el refuerzo que no presentan escalonamientos, desportilladuras u otros signos de deterioro no se toman en cuenta. Nuevamente estos se reportan por kilómetro (o milla).
Número de baches no reparados Las fallas de baches son de profundidad total en las cuales el acero se ha roto y el hormigón se incrusta hacia la base. Estas se cuentan en una base por kilómetro (o milla).
Número de juntas de expansión, juntas excepcionalmente anchas o parches de profundidad completa en asfalto Las juntas de expansión, juntas excepcionalmente anchas (mayores a 25 mm (1pulg)), y parches de profundidad completa en asfalto se cuentan en una base por kilómetro (o milla). Las juntas de expansión adyacentes a una estructura no se cuentan.
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Resultados Calculados El espesor efectivo del pavimento existente se calcula usando los espesores existentes de hormigón (hasta un máximo de 250 mm (10 pulg)) con la siguiente ecuación: D ef = F fcu * D
(5.26)
Donde: D ef = Espesor efectivo del pavimento existente mm (pulg) F fcu = factor de ajuste por juntas y fisuras para sobrecarpetas no adheridas. D = Espesor actual del pavimento mm (pulg) 3.6.2.2 Método de Vida Remanente Este método es una forma alternativa para calcular la contribución del pavimento existente a la estructura global. Considera cuanto tráfico ha soportado el pavimento y cuanto más está proyectado hasta que alcance la serviciabilidad final de 1.5. Esto da una relación de vida remanente, la cual se usa para calcular un factor de condición. Este factor modifica el espesor actual del pavimento existente en un espesor efectivo. Las ecuaciones usadas en estos cálculos se muestran a continuación
D ef = CF * D
(5.27)
Donde: CF es función de la vida remanente, RL (mostrada en la figura 5.2 de la Guía).
RL = 100*(1 - (N p / N 1.5 )
(5.28)
Donde: RL = Vida remanente, porcentaje N p = Tráfico total a la fecha ESAL N 1.5 = Tráfico total en ESAL para una serviciabilidad terminal de 1.5 D = Espesor actual de la losa existente, mm (pulg)
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Estos datos se describen en el procedimiento de diseño de sobrecarpetas de asfalto sobre hormigón.
Figura 5.30 Método vida remanente para Hormigón no adherido sobre pavimento de hormigón
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3.6.3 Espesor de sobrecarpeta El espesor calculado se calcula con la siguiente fórmula. 2 D ol = �𝐷𝑓2 – 𝐷𝑒𝑓𝑓
(5.29)
R
Con una sobrecarpeta no adherida, se espera que la sobrecarpeta y el pavimento existente se comporten en forma aislada. En el ejemplo, una vez introducidos todos los datos requeridos, debe hacer clic en el botón Calcular Total de la pestaña inicial (primera pestaña) para que DIPAV 2.0 calcule el espesor de sobrecarpeta D ol . El valor de cálculo de D ol es la diferencia entre el D f y D ef elevados al cuadrado y del total se extrae la raíz cuadrada. Los métodos para determinar el número estructural del pavimento existente producirán dos diferentes números estructurales de sobrecarpetas. A pesar de que los valores deberían ser similares, no existe ninguna razón para esperar que sean idénticos. El diseñador podrá escoger de los valores el más adecuado, en este caso entre 125 y 145 mm.
Figura 5.31 Diseño del espesor de sobrecarpeta
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3.7 SOBRECARPETA DE HORMIGÓN SOBRE PAVIMENTO DE ASFALTO En el diseño de sobrecarpetas de hormigón sobre pavimento de asfalto, la capa de asfalto subyacente se trata como una capa de soporte, pero no se considera que provea ninguna contribución estructural directa a la sobrecarpeta. Por tanto, el espesor de la sobrecarpeta de hormigón es el espesor del pavimento requerido para soportar el tráfico proyectado.
Figura 5.32 Sobrecarpeta de hormigón sobre pavimento de asfalto
Los datos para este procedimiento de diseño son los mismos que los datos para el diseño de un pavimento nuevo. Sin embargo, un dato, el valor estático del coeficiente k puede ser estimado al medir las deflexiones en el pavimento existente de asfalto. Este procedimiento se describe en la sección de “Retrocálculo”.
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4. RETROCÁLCULO Si se realiza el ensayo del Deflectómetro de Impacto (FWD) los resultados pueden ser usados para obtener algunas de las propiedades del material necesarias tanto para la capacidad estructural futura y la efectiva. En DIPAV 2.0 la sub-pestaña Retrocálculo se activa en cualquiera de los siete casos de diseño de sobrecarpetas. En ésta sub-pestaña, los archivos de deflexión son seleccionados, DIPAV 2.0 lee el contenido de cada archivo é inicia los cálculos correspondientes, utilizando los valores que se seleccionen. Según en el caso de sobrecarpeta que se encuentre abierto, pueden existir una o dos sub-pestañas de Retrocálculo: Retocálculo y Retrocálculo J. Esta es una herramienta muy útil en DIPAV 2.0 con lo que se pueden obtener varios de los datos requeridos para el diseño de sobrecarpetas. El proceso de retrocálculo usa deflexiones en el pavimento para calcular las condiciones de soporte (módulo resiliente de la subrasante y módulo efectivo de reacción de la subrasante, transferencia de cargas por deflexión y propiedades de materiales (módulo elástico y módulo de ruptura)). El tipo de ensayo de deflectómetro se basa en el tipo de pavimento. Las áreas deterioradas y que serán reparadas no deben ser ensayadas. Se recomienda un deflectómetro de alta carga (deflectómetro de impacto) y una magnitud de carga de aproximadamente 40KN (9.000lb). Las normas ASTM D4694 y D4695 proveen guía adicional acerca de los ensayos con deflectómetro. Para pavimentos de hormigón, las deflexiones deben medirse en la superficie de la losa (antes de la fractura, en caso de una sobrecarpeta sobre hormigón fracturado) en el centro de las losas que no están fisuradas. Estas deflexiones se toman con sensores ubicados a 0, 305, 610 y 915 mm (0, 12, 24 y 36 pulgadas) desde el centro de la carga. Una medida de deflexión a una distancia de aproximadamente 1.2 m (4 pies) desde el centro de la carga se necesita para el procedimiento de retrocálculo para pavimentos de asfalto. DIPAV 2.0 es capaz de identificar y procesar los archivos de datos de deflectómetros Dynatest y KUAB. Es posible introducir datos manualmente, en caso de que el usuario así lo disponga. El procedimiento de retrocálculo a usar depende del tipo de pavimento existente y de la sobrecarpeta. Los datos para estos procedimientos se explican en base a su uso en el procedimiento de diseño de sobrecarpetas. En la sub-pestaña Retrocálculo, se usan a su vez diferentes rutinas para identificar las fuentes de datos, ver los datos y calcular los resultados. No todas estas posibilidades se aplican para todos los casos y dentro de cada uno de ellos no todos los resultados son apropiados.
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Figura 5.33 Sub-Pestaña para realizar el Retrocálculo de concreto asfáltico sobre concreto asfáltico
4.1 ORIGEN DE DATOS En el retrocálculo usando DIPAV 2.0, usted ya debe haber recolectado los datos de deflexión con un deflectómetro de impacto (FWD) y estos datos deben estar en el formato de archivo estandarizado por el proveedor. El análisis comienza por la identificación de los archivos de deflexión asociados con el proyecto. Comience por seleccionar la sub-pestaña Origen de Datos.
4.1.1. Conjuntos de Datos de Deflexión Kuab o Dynatest Se elige la fuente de datos de los dos posibles archivos, Kuab o Dynatest. Haciendo clic en el botón Añadir se busca la ubicación en algún subdirectorio y se carga el archivo en la sección “Cálculos” de la ventana principal. Haciendo clic en el botón Ver se puede apreciar el listado completo de datos en el formato del equipo considerado. Esto muestra el contenido del archivo seleccionado de deflexiones, con la salvedad de que dentro del programa el archivo no puede ser editado.
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Figura 5.34 Obtención de base de datos según equipo FWD
4.1.2. Añadir y Quitar Fuentes de Datos de Deflexión Haciendo clic en el botón Añadir. Se abre el cuadro de diálogo Abrir archivos FWD. Seleccione el tipo de archivo que desea usar - Dynatest o KUAB, navegando en los directorios de su ordenador hasta situarse en el archivo deseado y haciendo clic en el botón Abrir del cuadro de diálogo “Abrir archivos FWD”. Los archivos que se muestren en la casilla Cálculos de la sub-pestaña Origen de Datos serán aquellos que se hayan importado. Situando el puntero del mouse en el archivo importado, se puede ver la ruta completa de la ubicación del mismo. Es posible añadir más de un archivo al Origen de Datos, sin embargo solo es posible procesar un archivo a la vez. Si un archivo seleccionado no se necesita, señálelo haciendo clic sobre el mismo en el listado mostrado en la casilla Cálculos y luego con el archivo seleccionado, haga clic en el botón Quitar. El archivo será quitado del conjunto de datos pero no será borrado de su ordenador. Una de las elecciones de los tipos de archivo es la introducción manual (punto por punto). En DIPAV 2.0 esta opción está habilitada, permitiendo introducir manualmente los datos como si se tratase de una hoja de cálculo común y corriente. Para procesar los archivos de deflexiones, se requiere información adicional. Estos elementos se discuten brevemente a continuación:
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4.1.3. Visualizando Fuentes de Datos de Deflexión Para ver los datos de cualquiera de los archivos FWD abiertos, seleccione el archivo en cuestión y haga clic en el botón Ver. Esto muestra el contenido del archivo de deflexiones seleccionado en una ventana de lectura solamente, no pudiendo editar ningún dato en ésta ventana.
Figura 5.35 Vista parcial del archivo para deflectómetro DYNATEST
4.1.4. Procesado y Configuración de Fuentes de Datos Para Procesar los datos de cada archivo FWD que se importa en DIPAV 2.0, es necesario seleccionar el archivo de la lista que aparece en la casilla Cálculos de la sub-pestaña Origen de Datos y hacer clic en el botón Procesar, se visualizará entonces, las Distancias de cada sensor y el Radio del Plato del deflectómetro El dato del radio de la placa de carga del FWD es entregado por el fabricante del equipo o medido directamente. Se requiere para cada archivo de deflexión, pero éste valor puede ser diferente cuando se usan distintos equipos. La ubicación de los sensores en el sentido longitudinal se indica por la distancia r. Se asignan sensores del 1 al 9 de manera que DIPAV 2.0 pueda procesar correctamente el archivo de deflexión. Los sensores se numeran desde Do hasta Dx, donde x es el número de sensores. El sensor ubicado directamente debajo de la celda de carga es típicamente Do. Cemento y el Hormigón
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Figura 5.36 Datos de Radio del Plato de carga y distancia para cada sensor Para configurar Temperatura se debe tener en cuenta que los ensayos de deflexión en pavimentos flexibles son corregidos a una temperatura normalizada a causa de los cambios en las propiedades del asfalto a diferentes temperaturas. Para introducir la temperatura media de cada medición, se debe ir a la sub-pestaña Datos y digitar en la casilla Temperatura el valor expresado en grados Celsius (ºC). Esto configurará la misma temperatura Promedio para todas las mediciones efectuadas. Adicionalmente se puede modificar la temperatura, de una medición específica, haciendo doble clic en la celda correspondiente a la medición en cuestión e introduciendo el valor deseado, como si se tratase de una hoja de cálculo normal. Sin embargo se debe tener cuidado en los valores introducidos para la temperatura ya que las mediciones no deben hacersee cuando la temperatura ambiente está sobre 27ºC (80ºF), puesto que las juntas tienden a juntarse y mostrarían una buena transferencia de cargas fuera de lo normal.
4.2 DATOS La parte más importante del archivo FWD son los datos de deflexión. Bajo esta sub-pestaña los datos de deflexión se muestran para el conjunto seleccionado. De izquierda a derecha se observan las fuentes de datos (nombre de archivo), estación, ruta, número de ensayos y tipo de prueba. A estos le sigue un cuadro de marcado (chek box) que se utiliza para seleccionar la fila de datos. Una fila puede no ser usada a causa de su ubicación (por ejemplo si los valores de los módulos de los pavimentos que están siendo calculados y el archivo contiene ambas deflexiones en el centro y en las juntas, las deflexiones en las juntas no se deberían usar o porque algunas de las deflexiones
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son excesivamente altas (que puede indicar una ubicación muy pobre del ensayo no representativa de las condiciones globales)); por defecto DIPAV 2.0 selecciona todas las filas de datos obtenidos del archivo FWD. Siguiendo estas columnas, se tienen a las columnas para datos de carga y deflexiones registrados por sensor. El propósito de esta sub-pestaña es seleccionar los datos de deflexiones a usarse en el Retrocálculo y corregir/configurar los mismos.
Figura 5.37 Datos de carga, temperatura y deflexiones para cada sensor
4.3 RESULTADOS Los resultados calculados en este procedimiento de retrocálculo se muestran en la sub-pestaña Resultados para el conjunto de datos de deflexión seleccionados. Tomando como ejemplo el primer caso de concreto asfáltico sobre concreto asfáltico, los resultados representativos del conjunto de mediciones se obtienen introduciendo en la sub-pestaña Datos los correspondientes a “Espesor Total del Pavimento”, “Factor de Corrección del Módulo Resiliente C“ y el “Espesor existente CA” expresado en milímetros y haciendo clic en el botón Calcular de la sub-pestaña Resultados. El resultado individual retrocalculado para cada sensor se presenta en la fila correspondiente de acuerdo al orden en que fue introducido. En la parte superior se presentan los valores promedio del módulo resiliente o módulo k, según el caso, y los correspondientes módulos efectos del pavimento analizado.
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Figura 5.38 Resultados de módulos del suelo y del pavimento para cada sensor
Los resultados calculados pueden ser exportados al módulo principal de sobrecarpeta, simplemente haciendo clic en el botón Volver pestaña Resultados.
situado al lado derecho del botón Calcular de la sub-
4.4 TRANSFERENCIA DE CARGAS POR DEFLEXIÓN La transferencia de cargas por deflexión es un tipo específico de Retrocálculo, Es apropiado en casos en los cuales se han recolectado los datos de deflexión de juntas en pavimentos con juntas y están disponibles para determinar el Coeficiente de Transferencia de Cargas (J). Esta sub-pestaña está habilitada para sobrecarpeta de asfalto sobre hormigón (Caso 3), sobrecarpeta de asfalto sobre pavimento rígido que ya ha recibido una sobrecarpeta de asfalto previa (Caso 4) y para sobrecarpeta de hormigón adherida a pavimento rígido (Caso 5). Los archivos FWD usados para calcular la transferencia de cargas incluyen las deflexiones que se han medido a un lado de las juntas transversales. La losa en la cual se aplica la carga se llama la losa cargada, la losa adyacente se llama losa descargada. La transferencia de cargas no debe medirse cuando la temperatura ambiente está sobre 27ºC (80ºF), puesto que las juntas tienden a
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juntarse y mostrarían una buena transferencia de cargas fuera de lo normal. DIPAV 2.0 determina el porcentaje de transferencia de cargas. Este número debe convertirse a un coeficiente de transferencia de cargas de manera que complete el diseño de sobrecarpetas. AASHTO provee la siguiente tabla en la Guía de Diseño para ayudar a determinar este coeficiente.
% de Transferencia de Cargas
J
>70
3.2
50-70
3.5
