DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS INTRODUCCIÓN TEÓRICA Ing. Diego Calo
Montevideo, Uruguay 16 y 17 de Junio de 2015
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ÍNDICE DE LA PRESENTACIÓN • Componentes principales del Sistema.
• Aspectos básicos para el proyecto de pavimentos rígidos. • Caracterización de las variables de diseño.
• Recomendaciones prácticas.
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Componentes Principales del Sistema Espesor Junta Longitudinal Junta Transversal
Calzada de Hormigón Barras de Unión
Pasadores
Subrasante Subbase o base
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Objetivos del diseño • Seleccionar espesores de diseño acordes con el tránsito previsto y las condiciones de soporte. • Provisión de un soporte razonablemente uniforme (control de cambios volumétricos en subrasantes expansivas y de la acción de la helada en zonas donde se prevé el congelamiento de la subrasante). • Prevención del bombeo mediante bases adecuadas en caso de tránsito pesado. • Diseño adecuado de juntas. • Evaluación de los materiales componentes del hormigón que aseguren los requisitos de resistencia y durabilidad durante la vida proyectada. • Especificar el empleo de materiales de sello adecuados y resistentes al intemperismo. • Especificar para su construcción el empleo de tecnologías acorde con la lisura que se pretende. INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
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Suelos de Subrasante
Además de servir como soporte, la subrasante es parte integral de su estructura, por lo cual, su calidad es un factor de suma importancia que afecta sustancialmente el comportamiento y la durabilidad del pavimento. El hormigón por su elevada rigidez distribuye las cargas en mayores superficie y Transmite presiones bajas a la subrasante Los pavimentos de hormigón no requieren subrasantes de elevada resistencia, pero sí un apoyo razonablemente uniforme, sin cambios bruscos en la capacidad portante.
RÍGIDO
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FLEXIBLE
Soporte Uniforme Estable y Permamente Cualquier fundación de pavimentos rígidos deberá verificar el cumplimiento de los siguientes requisitos: • Uniformidad: No deberá existir cambios abruptos en las características de los materiales (zonas débiles o de elevada rigidez) • Control de subrasantes expansivas para asegurar un soporte uniforme tanto en temporadas o estaciones húmedas como secas. • Control de hinchamientos por congelamiento en zonas expuestas a esta condición. • Resistencia a la erosión en pavimentos sujetos a importantes volúmenes de tránsito pesado. CUALQUIER PAVIMENTO DE HORMIGÓN EXPERIMENTARÁ PROBLEMAS CON SUBRASANTES Y SUBBASES NO APROPIADAMENTE DISEÑADAS Y CONSTRUIDAS INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
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¿Cuándo es necesario una base? Existe riesgo de erosión por bombeo cuando se presentan en forma simultánea las siguientes condiciones: – Repeticiones reiteradas de cargas pesadas (camiones) capaces de generar deflexiones importantes en juntas y bordes de la calzada de hormigón. – Disponibilidad de agua en la interfase losa – subbase – banquina. – Una subrasante compuesta por suelos finos o capaces de entrar en suspensión.
Tránsito Pesado
E Agua Disponible
Material Fino ó Erosionable
Cuando en un pavimento determinado se prevea la eventual coexistencia de estos factores el EMPLEO DE UNA BASE NO EROSIONABLE ES DE CARÁCTER OBLIGATORIO. INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
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Otros beneficios Además de sus función principal de prevenir la erosión por bombeo, una capa de base permite: • Mejorar las condiciones homogeneidad del soporte.
de
• Conformar una plataforma de trabajo adecuada, no susceptible a las condiciones climáticas reinantes y apta para la circulación de los vehículos de obra. Si se encuentra prevista la construcción de la calzada con equipos pavimentadores de encofrados deslizantes, el ancho de la base debe contemplar la superficie de tracción para las orugas del equipo de pavimentación, debiéndose prever un sobreancho de aproximadamente 0,80 m a 1 m a cada lado de la calzada. INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
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Influencia de la Subbase en el espesor de calzada La resistencia de la subrasante se valora mediante su módulo de reacción. La incorporación de una subbase al pavimento incrementa significativamente el módulo de reacción combinado subrasante/subbase.
El espesor de calzada de hormigón de diseño es relativamente poco sensible a la rigidez de su apoyo por lo que no es una decisión adecuada incrementar la resistencia o el espesor de la subbase con el fin de reducir el espesor de calzada.
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Mecanismos de falla en Pavimentos de Hº Simple
Erosión por Bombeo y Escalonamiento 1ER ETAPA Junta Longitud.
Juntas Transversales
Tránsito
Banq. Externa
Escalonamiento Inicial
2DA ETAPA Incremento del escalonamiento
Banq. Externa
Eyección de Finos
3ER ETAPA Fisuración Transversal
Banq. Externa
Eyección de Finos
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Resistencia a la Erosión Clase
Potencial de Erosión
Tipo de Material
A
Extremadamente Resistente a la erosión
Hormigón pobre con 7% - 8% de cemento ó concreto asfáltico con 6% de asfalto.
B
Resistente a la erosión
Material granular tratado con 5% de cemento.
C
Resistente a la erosión bajo ciertas condiciones
Material granular elaborado en planta con 3,5% de cemento o 3% de asfalto.
D
Bastante erosionables
Material granular elaborado in situ con 2,5% de cemento; suelos finos tratados con cemento in situ; Materiales granulares limpios, bien graduados y de buena calidad.
E
Muy erosionables
Materiales granulares contaminados no tratados; Suelos finos no estabilizados.
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Bases granulares
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Este tipo de bases suelen estar constituidas por una mezcla bien graduada de diferentes tipos de suelos y agregados. El criterio principal para emplear una base granular en un pavimento de hormigón es el de limitar el contenido de finos para evitar: • que la capa acumule agua y • que estos sean erosionados por el fenómeno de bombeo.
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Bases granulares Requisitos generales • Espesor mínimo: 10 cm. • TM < 1/3 del espesor. • P200 < 15%. • Desgaste Los Angeles < 50%.
Recomendaciones: • No emplear espesores mayores de 15 cm. • Deberá especificarse una densidad mínima del 98% del T-180.
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Bases tratadas con cemento Corresponde la mezcla de suelo (en el mas amplio sentido de su definición) con cemento, la cual es compactada por medios mecánicos. Ej: suelo – cemento, suelo – arena- cemento, grava - cemento, ripio- cemento, estabilizado granular con cemento, etc.). Ventajas: • Aprovechamiento de los materiales locales. • Incremento de la resistencia a la erosión. • Evita la consolidación por cargas. • Menores deflexiones. • Mejor transferencia de carga. • Incremento de la rigidez de apoyo. INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
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Bases tratadas con cemento Características: • Espesor mínimo: 10 cm. • Tipo de suelo recomendado para tránsito pesado: A1, A2-4, A2-5 y A3 (ACPA). • Tipo de suelos aceptable para tránsito liviano A4 y A5. • Tamaño máximo: 75 mm. • Durabilidad por congelamiento – deshielo y humedecimiento – secado. • Contenidos de Cemento: de 2% a 5% (granulares) y de 6 a 10% (suelos finos). • Romper la adherencia con emulsión asfáltica, film de polietileno o dos capas de membrana en base a parafina.
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Bases de hormigón pobre • Este tipo de bases se han popularizado en los últimos años, en especial para vías donde existe tránsito pesado.
• Se diferencian de las anteriores en que no requieren compactación mecánica, lo que en ámbitos urbanos permite reducir las molestias a los vecinos. • Suelen ejecutarse de forma similar y con el mismo equipamiento que se emplea en los pavimentos de hormigón. • A diferencia del pavimento, no requieren la ejecución de juntas intermedias, y es recomendable interponer un ruptor de adherencia con la calzada. INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
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Bases de hormigón pobre Requisitos: • Espesor mínimo: 10 cm.
• Resistencia a compresión de 5 MPa a 8 MPa. • Contenido de cemento de 120 a 200 kg/m3. • Contenido de aire de 6 a 8%. • Tamaño máximo hasta de 25 a 50 mm. • Tolerancias: ± 6 mm en la regla de 3 m. • Pueden ser densas o drenantes (Hº poroso).
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Bases tratadas con Asfalto Requisitos: • Espesor mínimo: 5 cm. • Contenido de asfalto típico: 4% – 4,5%. • TM: 19 mm. • Tolerancias: ± 6 mm en la regla de 3 m. • Pueden ser densas o drenantes (Aº poroso).
Recomendaciones constructivas: • Los lineamientos constructivos corresponden a los empleados para la ejecución de cualquier capa asfáltica.
• En verano mantener la cancha humedecida o blanquearla (Riego de agua con cal.)
En ocasiones se emplean sobre bases tratadas con cemento para reducir la rigidez de apoyo e incrementar la resistencia a la erosión. En estos casos se denomina como interlayer asfáltico y el espesor de dicha capa puede reducirse hasta 2,5 cm.
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El agua en la estructura del Pavimento Vías de Ingreso de Humedad
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Sistemas de Subdrenaje ¿Como combatir los problemas asociados a humedad en la estructura del pavimento?
Evitar el ingreso del agua en la estructura del pavimento: Elevación adecuada de la rasante respecto del terreno, adopción de pendientes transversales y longitudinales apropiadas que permitan un drenaje superficial eficiente y sellado de las juntas y fisuras con el objetivo de reducir la infiltración de agua a las capas inferiores.
Emplear materiales no sensibles a la humedad (elevada resistencia a la erosión).
Incorporar elementos de diseño que minimicen los daños por humedad: Incorporación de pasadores en las juntas transversales, empleo de sobreanchos de calzada, incorporación de banquina de hormigón vinculada, incorporación de una capa granular entre la base tratada y la subrasante, etc.
Eliminar el agua libre mediante una estructura de subdrenaje: el propósito de la incorporación de un sistema de este tipo es eliminar rápidamente el agua infiltrada a la estructura del pavimento. INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
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Sistemas de Subdrenaje ¿Cuando se necesita un sistema de Subdrenaje? • Los sistemas de drenaje son elementos de diseño que incrementan sensiblemente el costo de construcción. • A fin de que se encuentren plenamente justificados, debe probarse que generan una mejora en el desempeño del pavimento. • En USA se han efectuado una serie de proyectos de investigación para brindar una respuesta a estas inquietudes (NCHRP 1-34 a 1-34D). • Conclusiones a las que arribó este estudio: - La rigidez de la base resultó ser más influyente que el drenaje en el comportamiento de los pavimentos de hormigón. - Se ha observado que existe una rigidez óptima (ni muy rígida, ni muy flexible). - La presencia de agua en la estructura del pavimento ha resultado muy perjudicial en el desempeño del pavimento en el pasado. - Los diseños actuales son menos susceptibles a los daños por exceso de humedad (mayores espesores, mejor calidad de materiales, uso extensivo de pasadores, etc. INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
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Sistemas de Subdrenaje ¿Cuando se necesita un sistema de Subdrenaje? “El estado del arte actual es tal que no es posible establecer definiciones concluyentes acerca de la efectividad de los sistemas de subdrenaje o la necesidad de drenaje subsuperficial” (fuente: MEPDG Part 3. Design Analysis). De cualquier manera, bajo determinadas condiciones, el empleo de un sistema de subdrenaje puede encontrarse justificado, en especial en tránsito pesado, climas húmedos y suelos de subrasante de baja permeabilidad. Condición climática
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