Metodos de Diseño de Pavimentos Rígidos

- METODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS

Introducción a métodos de diseño Los dos métodos de diseño descritos en este Sistema de Diseño de Pavimentos Rígidos, el de la American Association of State Highways and Transportation Officials (AASHTO) y el de la Portland Cement Association (PCA) correspo nden a los métodos de diseño de espesores de pavimentos más ampliamente usados a nivel mundial. Por este motivo se ha decidido incluir ambos métodos en el Sistema Pavimentos Rígidos. 2.10.1.- Método AASHTO a. - Prueba de pavimentación AASHTO El método de diseño de espesores de pavimentos rígidos está basado en los resultados obtenidos de la prueba de carreteras concebida y promovida gracias a la organización que ahora conocemos como AASHTO para estudiar el comportamiento de estructuras de pavimento de espesores conocidos, bajo cargas móviles de magnitudes y frecuencias conocidas y bajo el efecto del medio ambiente en secciones conocidas de pavimentos rígidos y flexibles. La planeación empezó en 1951, la construcción del proyecto comenzó en 1956 muy cerca de Ottawa, Illinois. El tráfico controlado de la prueba se aplicó de octubre de 1958 a noviembre de 1960 y el método estuvo listo para 1961. (T-espe-tipos de pavimentos rigidos_)  Aproximadamente después de un año de terminar la prueba AASHO para 1961 salió publicada la primer "Guía AASHO para Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles". Posteriormente para 1972 se realizó una revisión y se publicó como la "Guía  AASHTO para Diseño de Estructuras de Pavimento - 1972". Para 1981 se hizo una Revisión al Capítulo III, correspondiente al Diseño de Pavimentos de Concreto con Cemento Portland. Para 1986 se publicó una revisión de la "Guía para el Diseño de Estructuras de Pavimento". En 1993 se realizó una Revisión del Diseño de Sobrecarpetas de pavimento. En la actualización de 1993, el método AASHTO comenzó a introducir conceptos mecanicistas para adecuar algunos parámetros a condiciones diferentes a las que imperaron en el lugar de ensayo original. Para 1998 se publicó un método alternativo para diseño de pavimentos, que corresponde a un "Suplemento a la guía de diseño de estructuras de pavimento”. pavimento”.

Dadas ciertas condiciones ambientales y la cantidad de vehículos que pasa sobre un tramo de via, es difícil anticipar los acontecimientos aco ntecimientos futuros y como estos

afectaran la estructura del pavimento. Aunque es imposible conocer el futuro, es posible predecir por medio de la nueva guía de diseño AASHTO 2008 MEPDG el comportamiento de los pavimentos durante la vida de diseño. (mena) La guía AASHTO 1993 solo evalúa un indicador de desempeño (índice de servicio presente “PSI”), mientras que el MEPDG predice múltiples indicadores de

rendimiento y proporción un vínculo directo entre los materiales, diseño estructural, construcción, el clima, el tráfico y los sistemas de gestión de pavimentos. b.- Formulación del método de diseño El objetivo principal de las pruebas consistía en determinar relaciones significativas entre el comportamiento de varias secciones de pavimento y las cargas aplicadas sobre ellas, o bien para determinar las relaciones significativas entre un número de repeticiones de ejes con cargas, de diferente magnitud y disposición, y el comportamiento de diferente espesores de pavimentos, conformados con bases y sub-bases, colocados en suelos de características conocidas. En total se examinaron 368 secciones de pavimento rígido y 468 secciones de pavimento flexible. Las mediciones físicas de las secciones de prueba se transfirieron a fórmulas que podían dar nuevamente valores numéricos de capacidad de servicio. Estos valores graficados contra las aplicaciones de carga forman una historia de comportamiento para cada sección de prueba que permiten la evaluación de cada uno de los diversos diseños. Para el método de diseño AASHTO 86 Y 93 la fórmula de diseño es:

d.- Variables del método de diseño Criterios de diseño

El método AASHTO introduce el concepto de serviciabilidad en el diseño de pavimentos como una medida de su capacidad para brindar una superficie lisa y suave al usuario. Su ecuación de diseño se basa en la pérdida del índice de serviciabilidad (APSI) durante la vida de servicio del pavimento. Se sabe que un pavimento rígido no sufre un deterioro solo por la aplicación de cargas vehiculares, sino que también se deben tener en cuenta otras variables como la temperatura, pluviosidad, drenaje superficial y subsuperficial y la calidad de los materiales, entre otros.

Las variables que intervienen en el diseño de los pavimentos constituyen en realidad la base del diseño del pavimento por lo que es necesario conocer las consideraciones más importantes que tienen que ver con cada una de ellas para así poder realizar diseños confiables y óptimos al mismo tiempo. e.- Variables de diseño de Pavimentos Rígidos: Variables de tiempo

Se consideran dos variables: período de análisis y vida útil del pavimento. La vida útil se refiere al tiempo transcurrido entre la puesta en operación del camino y el momento en el que el pavimento requiera rehabilitarse, es decir, cuando éste alcanza un grado de serviciabilidad mínimo. El período de análisis se refiere al período de tiempo para el cual va a ser conducido el análisis, es decir, el tiempo que puede ser cubierto por cualquier estrategia de diseño. Para el caso en el que no se consideren rehabilitaciones, el período de análisis es igual al período de vida útil; pero si se considera una planificación por etapas, es decir, una estructura de pavimento seguida por una o más operaciones de rehabilitación, el período de análisis comprende varios períodos de vida útil, el del pavimento y el de los distintos refuerzos. Tránsito

En el método AASHTO los pavimentos se proyectan para que éstos resistan determinado número de cargas durante su vida útil. El tránsito está compuesto por vehículos de diferente peso y número de ejes que producen diferentes tensiones y deformaciones en el pavimento, lo cual origina distintas fallas en éste. Para tener en cuenta esta diferencia, el tránsito se transforma a un número de cargas por eje simple equivalente de 18 kips (80 kN) ó ESAL (Equivalent Single Axle Load), de tal manera que el efecto dañino de cualquier eje pueda ser representado por un número de cargas por eje simple. La información de tráfico requerida por la

ecuación de diseño utilizado en este método son: cargas por eje, configuración de ejes y número de aplicaciones. Confiabilidad

La confiabilidad es la probabilidad de que el pavimento se comporte satisfactoriamente durante su vida útil o período de diseño, resistiendo las condiciones de tráfico y medio ambiente dentro de dicho período. Cabe resaltar, que cuando hablamos del comportamiento del pavimento nos referimos a la capacidad estructural y funcional de éste, es decir, a la capacidad de soportar las cargas impuestas por el tránsito, y asimismo de brindar seguridad y confort al usuario durante el período para el cual fue diseñado. Por lo tanto, la confiabilidad está asociada a la aparición de fallas en el pavimento. Criterios de comportamiento Serviciabilidad

La serviciabilidad se usa como una medida del comportamiento del pavimento, la misma que se relaciona con la seguridad y comodidad que puede brindar al usuario (comportamiento funcional), cuando éste circula por la vialidad. También se relaciona con las características físicas que puede presentar el pavimento como grietas, fallas, peladuras, etc, que podrían afectar la capacidad de soporte de la estructura (comportamiento estructural). El concepto de serviciabilidad está basado en cinco aspectos fundamentales resumidos como sigue: 1. Las carreteras están hechas para el confort y conveniencia del público usuario. 2. El confort, o calidad de la transitabilidad, es materia de una respuesta subjetiva de la opinión del usuario. 3. La serviciabilidad puede ser expresada por medio de la calificación hecha por los usuarios de la carretera y se denomina la calificación de la serviciabilidad. 4. Existen características físicas de un pavimento que pueden ser medidas objetivamente y que pueden relacionarse a las evaluaciones subjetivas. Este procedimiento produce un índice de serviciavilidad objetivo. 5. El comportamiento puede representarse por la historia de la serviciabilidad del pavimento. Cuando el conductor circula por primera vez o en repetidas ocasiones sobre una vialidad, experimenta la sensación de seguridad o inseguridad dependiendo de lo que ve y del grado de dificultad para controlar el vehículo. El principal factor asociado a la seguridad y comodidad del usuario es la calidad de rodamiento que depende de la regularidad o rugosidad superficial. del pavimento. La valoración de este parámetro define el concepto de Índice de Serviciabilidad Presente (PSI, por sus siglas en ingles).

 El PSI califica a la superficie del pavimento de acuerdo a una escala de valores de 0 a 5. Claro está, que si el usuario observa agrietamientos o deterioros sobre la superficie del camino aún sin apreciar deformaciones, la clasificación decrece. El diseño estructural basado en la serviciabilidad, considera necesario determinar el índice de serviciabilidad inicial (P0) y el índice de serviciabilidad final (Pt), para la vida útil o de diseño del pavimento. a) Índice de serviciabilidad inicial (P0). El índice de serviciabilidad inicial (P0) se establece como la condición original del pavimento inmediatamente después de su construcción o rehabilitación. AASHTO estableció para pavimentos rígidos un valor inicial deseable de 4.5, si es que no se tiene información disponible para el diseño. b) Índice de serviciabilidad final (Pt) El índice de serviciabilidad final (Pt), ocurre cuando la superficie del pavimento ya no cumple con las expectativas de comodidad y seguridad exigidas por el usuario. La pérdida de serviciabilidad se define como la diferencia entre el índice de servicio inicial y terminal.

 ΔPSI = P0 – Pt

Los factores que influyen mayormente en la pérdida de serviciabilidad de un pavimento son: tráfico, medio ambiente y edad del pavimento Los efectos que causan éstos factores en el comportamiento del pavimento han sido considerados en este método. El factor edad (tiempo) no está claramente definido. Sin embargo, en la mayoría de los casos es un factor negativo neto que contribuye a la reducción de la serviciabilidad. El efecto del medio ambiente considera situaciones donde se encuentran arcillas expansivas o levantamientos por helada. Así, el cambio total en el PSI en cualquier momento puede ser obtenido.

Propiedades de los materiales

Debemos tener en cuenta diversas características como el módulo de reacción de la subrasante (K), el módulo de rotura del concreto, el módulo de elasticidad del concreto.

Módulo de reacción de la subrasante

La resistencia de la subrasante es considerada dentro del método por medio del módulo de reacción del suelo, que se puede obtener directamente mediante la prueba de placa. El módulo de reacción de suelo corresponde a la capacidad portante que tiene el terreno natural en donde se soportará el cuerpo del pavimento. Es posible que se obtengan diversos valores de K a lo largo del tramo a diseñar, por lo que el método AASHTO recomienda utilizar valores promedio para el diseño estructural. Módulo de rotura del concreto Debido a que los pavimentos trabajan principalmente a flexión, es recomendable que su especificación de resistencia sea acorde con ello, por eso el diseño considera la resistencia del concreto trabajando a flexión, que se le conoce como resistencia a la flexión por tensión o módulo de rotura. Normalmente se especifica a los 28 días. Módulo de elasticidad  del concreto El módulo de elasticidad del concreto está íntimamente relacionado con el módulo rotura y se determina mediante la norma ASTM C469. Existen varios criterios con los que se puede estimar el módulo de elasticidad a partir del módulo de rotura. Características estructurales Drenaje

Los efectos del drenaje sobre el comportamiento del pavimento han sido considerados en el método AASHTO 93 por medio de un coeficiente de drenaje (Cd). El drenaje es tratado considerando el efecto del agua sobre las propiedades de las capas del pavimento y sus consecuencias sobre la capacidad estructural de éste; y además el efecto que tiene sobre el coeficiente de transferencia de carga en pavimentos rígidos. Para elegir el coeficiente de drenaje se debe calcular el tiempo de drenaje de la subbase, seleccionar una calidad de drenaje en función del tiempo de drenaje calculado y estimar el tiempo en que la estructura del pavimento está expuesta a niveles de humedad próximos a la saturación. Transferencia de carga

La capacidad de una estructura de pavimento de concreto para transferir (distribuir) cargas a través de juntas o grietas es tomado en cuenta en el método

 AASHTO 93 por medio del coeficiente de transferencia de carga J. Los dispositivos de transferencia de carga, trabazón de agregados y la presencia de bermas de concreto tienen efecto sobre éste valor.

Conceptos de desempeño de pavimentos Caracterización de transito Características de la subrasante Materiales para pavimentos Conceptos de confiablidad Drenaje

Para el método de diseño AASHTO 86 Y 93 la fórmula de diseño es:

Pca

Historia

La historia de los pavimentos de concreto o pavimentos rígidos puede dividirse en dos épocas: la antigua, donde se pueden encontrar los primeros desarrollos de la humanidad en la construcción de vías, en las que se utilizaron materiales a base de piedra caliza. En el año 500 a.C. los Romanos desarrollaron pavimentos con los cuales lograron consolidar su imperio y algunos de ellos existen hoy en día, conservándose bastante bien después de 23 siglos de existencia. La época moderna de los pavimentos de concreto tuvo sus inicios a finales del Siglo XIX con la construcción de la primera estructura moderna de este tipo en la ciudad de Inverness, Escocia, en 1865. En ese momento el pavimento de concreto no contaba con la tecnología que se tiene hoy en día, pero indudablemente fue el inicio de una cadena de avances, desarrollos y aplicaciones, que casi alcanzan 150 años. A partir de ese momento fueron sucediendo avances significativos en la tecnología de diseño y construcción, así como gran diversidad de aplicaciones en todo el mundo. En América Latina, el primer pavimento de concreto se construyó en la ciudad de Bellefontaine, Ohio, en 1891. Con más de 120 años de construida, hoy aún presta servicio. En Colombia, el primer pavimento de concreto data de 1928 en el Parque de Berrío, en la ciudad de Medellín. La metodología de la PCA

En 1920 se produjeron las primeras ecuaciones para el diseño de pavimentos y en 1926 el profesor Westergaard publicó las ecuaciones de esfuerzo y deformación. En 1933 la Portland Cement Association (PCA) publicó el procedimiento para el diseño de espesores de concreto correlacionado con el tráfico, e introdujo los primeros conceptos de fatiga así como las primeras ecuaciones empíricas. Posteriormente, en 1966 y 1984, la PCA actualizó su método de diseño, siendo esta última la versión que rige en la actualidad. Este método de diseño está basado en las teorías de Westergaard, Pickett y Ray, y se complementa con base en elementos finitos con los que se estudió el comportamiento de una losa de concreto de espesor variable y dimensiones establecidas, a la cual se le aplicaron cargas en el centro, bordes y esquinas, considerando diferentes condiciones de apoyo y soporte. Se deben controlar especialmente la fatiga (para prevenir el agrietamiento debido a las cargas) y la erosión (para limitar la deflexión en los bordes de la losa). La vida útil del pavimento termina cuando se da la ruptura del concreto por las repeticiones de carga.

Crédito: © WSDOT

El propósito de este método es obtener el espesor mínimo de la losa, para soportar las cargas que se le impondrán en determinado período de tiempo. Si el espesor es mayor de lo necesario, el pavimento prestará un buen servicio con bajos costos de mantenimiento, pero el costo inicial será alto. En caso de que el espesor no sea el adecuado, los costos prematuros y elevados de mantenimiento e interrupciones en el tráfico sobrepasarán los bajos costos iniciales. Una correcta ingeniería requiere que los diseños de espesores balanceen apropiadamente el costo inicial y los costos de mantenimiento. Mientras que el método PCA 84 se centra en el tópico del diseño de espesores, otros aspectos de diseño son igualmente importantes para asegurar el buen funcionamiento y la duración del pavimento de concreto:  

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Provisión para un soporte razonablemente uniforme. Prevención del bombeo de material de base en caso de que el tráfico esperado sea suficientemente alto como para causarlo. Diseño de juntas que garantice una adecuada transferencia de cargas y facilite el uso de sellos si son requeridos para hacerlas efectivas y prevenga daños de las mismas debido a filtraciones. Uso de mezclas que proporcionen un concreto de buena calidad con la resistencia y durabilidad necesarias, según las condiciones de exposición.

Crédito: © Pam_Broviak

Los criterios de diseño de espesores de este método están basados en la experiencia del comportamiento general de pavimentos. Si se dispone de experiencia del comportamiento específico regional o local en condiciones más favorables o adversas, los criterios de diseño pueden ser apropiadamente modificados. Estas condiciones particulares pueden ser de clima, suelos, drenaje e innovaciones futuras en los diseños. Aplicaciones del Método PCA

Los procedimientos de diseño ofrecidos por el Método PCA se aplican a los pavimentos de concreto simple, simple con pasajuntas, con refuerzo discontinuo y con refuerzo continuo. Los pavimentos de concreto simple se construyen sin acero de refuerzo y sin dovelas de transferencia de carga en las juntas. La transferencia de carga es obtenida por una trabazón de agregados entre las caras agrietadas debajo de las  juntas aserradas o formadas. Para que esta transferencia sea efectiva, es necesario que se use un espaciamiento corto entre juntas. Los pavimentos de concreto simple con pasajuntas se construyen sin acero de refuerzo; sin embargo, se instalan barras de acero lisas (pasajuntas) como elementos de transferencia de cargas en cada junta de contracción. En este caso se emplean espaciamientos relativamente cortos entre juntas para controlar el agrietamiento. Los pavimentos reforzados contienen además del acero de refuerzo, barras pasajuntas para la transferencia de cargas en las juntas de contracción. Estos pavimentos son construidos con espaciamientos de juntas mayores que los utilizados en pavimentos reforzados. Usualmente se desarrollan una o más fisuras transversales entre las juntas de contracción, las cuales se mantienen cerradas por el acero de refuerzo, consiguiéndose proveer una buena transferencia de cargas.

Crédito: © Pam_Broviak

Los espaciamientos de juntas comúnmente utilizados y que trabajan bien, son de 4,6 m para pavimentos de concreto simple, no más de 6 m para pavimentos con pasajuntas, y no mas de 12 m para pavimentos reforzados. Espaciamientos mayores han sido utilizados, pero han sido causa de daños en las juntas y de la formación de fisuras intermedias entre ellas. Los pavimentos con refuerzo continuo se construyen sin juntas de contracción. Debido al refuerzo del acero continuo relativamente denso en la dirección longitudinal, ellos desarrollan fisuras transversales a intervalos cercanos. Se desarrolla un alto grado de transferencia de cargas en las caras de esas fisuras, que se mantienen firmemente unidas por el acero de refuerzo.

Los procedimientos de diseño que se dan en este método, cubren las condiciones que no han sido directamente tratadas por otros procedimientos. Estos incluyen el reconocimiento de: 1. El grado de transferencia de carga en las juntas proporcionado por los diferentes tipos de pavimentos descritos. 2. El efecto de utilizar una berma de concreto adyacente al pavimento. Las bermas reducen los efectos de flexión y las deflexiones causadas por las cargas. 3. El efecto de usar una subbase de concreto pobre, la cual reduce esfuerzos y deflexiones del pavimento, dotando de un soporte considerable cuando los camiones pasan sobre las juntas y de resistencia a la erosión de la subbase causadas por las deflexiones repetidas del pavimento. 4. Dos criterios de diseño: 4.1 Fatiga: Para mantener los esfuerzos del pavimento debidos a la acción de cargas repetidas, dentro de limites seguros previniendo así el agrietamiento por fatiga. 4.2 Erosión: Para limitar los efectos de las deflexiones del pavimento en el borde de las losas, juntas y esquinas, controlando así la erosión de la cimentación y de los materiales de las bermas. El criterio por erosión es necesario ya que algunas formas de daños del pavimento tales como bombeo, fallas y daños de las bermas no son debidas a la fatiga. 1. Los ejes triples pueden ser considerados en el diseño. Mientras que las configuraciones convencionales para ejes simples y tándem son aún las cargas predominantes en las carreteras, el uso de ejes triples (tridem) va en aumento. Ellos se observan en algunas carreteras especiales. Los ejes tridem pueden ser más dañinos por el criterio de erosión que por el de fatiga. La selección de un espesor adecuado está condicionado a la elección de otras características de diseño como el sistema de juntas, tipo de subbase si es necesaria, y tipo de berma.

Crédito: © Pam_Broviak

Bases para el diseño

Los métodos para el diseño de espesores del Método PCA se basan en el conocimiento de la teoría de pavimentos, en su comportamiento y en experiencias de investigación de: 1. Como se mencionó al inicio del artículo, en estudios técnicos de comportamiento de las losas de pavimento realizados por Westergaard, Picket y Ray, y recientes análisis de cómputo desarrollados por elementos finitos, uno de los cuales es usado como la base para este método. 2. Pruebas y modelos a escala natural tales como los ensayos de Arlington y varios proyectos de investigación conducidos por la PCA y otras agencias sobre subbases, juntas y bermas de concreto. 3. Pavimentos experimentales sujetos a pruebas de tráfico controlado y estudios de pavimentos de carreteras en servicio realizados por departamentos estatales de transporte de Estados Unidos. 4. El comportamiento de pavimentos construidos normalmente, sujetos a tráfico mixto normal.

Crédito: © WSDOT

Todas estas fuentes de conocimiento con útiles. Sin embargo, el conocimiento obtenido del comportamiento de pavimentos construidos normalmente es la más importante. De acuerdo a ello, es esencial examinar la relación de los roles que el comportamiento y la teoría juegan en el procedimiento de diseño. Métodos teóricos sofisticados desarrollados en años recientes permiten que la respuesta pavimento – esfuerzos, deflexiones, presiones, sean modelados con más precisión. Estos análisis teóricos son parte necesaria de un proceso de diseño mecanicista, porque ellos permiten la consideración de un rango completo de combinaciones de las variables de diseño. Un segundo aspecto importante es el criterio aplicado a los valores teóricos, valores limitantes permisibles de esfuerzos, deflexiones o presiones. Definiendo así el criterio de que los resultados de diseño son reflejo de la experiencia del comportamiento del pavimento y que los datos de investigaciones son fundamentales en el desarrollo de un procedimiento de diseño. Las partes teóricas de los procedimientos de diseño proporcionados por este método se basan en un análisis comprensivo de los esfuerzos y deflexiones del concreto mediante un programa de cómputo de elementos finitos. El programa modela los factores convencionales de diseño, propiedades del concreto, soporte y cargas, más la transferencia de carga en las juntas mediante barras pasajuntas

o trabazón de agregados y berma de concreto, para ubicaciones de carga axiales en el interior, borde, junta y esquina de la losa.