Diseo de Pavimentos Rgidos de concreto de cemento

Diseño de Pavimentos Rígidos, de concreto de cemento portland Prof. Johannes Briceño. MSc.

El uso de los pavimentos rígidos se remonta a más de 100 años. George Bartholomew, un norteamericano de Ohio, realizó las primeras pruebas en una faja experimental de 2. 44 metros de ancho. Este descubrimiento dio inicio al proyecto de obras públicas más grande en la historia de la humanidad: El sistema de carreteras inter-estatal de los Estados Unidos de Norteamérica, con aproximadamente 27. 500 Km de longitud.

Constituido por una losa de concreto colocada sobre una base y/o sub-base D Base o Sub-base Sub-rasante Junta Longitudinal l a l= Largo de la Losa a= Ancho de la Losa Junta Transversal

Ventajas de los Pavimentos Rígidos: 1. Mayor capacidad de soporte (carga). 2. Reserva resistencia para cargas inesperadas. 3. Resistencia a la deformación (Ahuellamiento, desplazamiento, depresiones). 4. Textura de la superficie permanente. 5. No hay problemas con la caída de aceite y combustible sobre el pavimento. 6. No necesita repavimentación periódica. 7. Refleja mejor la luz. 8. Apariencia limpia.

Tipos de pavimentos rígidos: a) Pavimentos de concreto simple con juntas (PCSJ). b) Pavimentos de concreto reforzado con juntas (PCRJ). c) Pavimentos de concreto reforzado sin juntas (PCRSJ). d) Pavimentos prefabricados. e) Pavimentos de concreto pretensado. f) Pavimentos de concreto compactado con rodillo.

El pavimento prefabricado es útil ya que se puede dar paso en tres(3) días, para esperar que se consoliden las juntas. Es complejo su transporte y colocación. Los pavimentos pretensados, disminuyen el espesor de las losas. Los pavimentos compactados con rodillo, la mezcla tiene que ser muy seca, una ventaja es que se extiende rápido y se puede abrir paso a las 24 horas. En el proceso de acabado, los pavimentos rígidos no se requeman (acabado liso con cemento y arena).

Pavimentos de concreto simple con juntas: Si no se colocan juntas la losa se fractura, las juntas imponen donde se va a fracturar. No lleva acero, sin malla electrosoldada (trucson), puede longitudinales llevar barras separación de losas. en juntas para evitar

Pavimentos de concreto reforzado con juntas: Malla electrosoldada Barras, Pasadores (Dowels), dovela o clavija. Transmite carga de losa a losa, son lisas y se colocan lubricadas. (�� =D/8 Barras, Unión o amarre, corrugadas, evita desplazamiento de losas

Aceros en pavimentos rígidos: a) Barras de amarre o unión. b) Pasadores, dowels, dovelas o clavijas. c) Acero de distribución, retracción y temperatura, malla electrosoldado (tipo trucson). Juntas en pavimentos rígidos: Pueden ser encofradas o acerradas. a) Transversales. a. 1) Juntas de Contracción. a. 2) Juntas de Expansión. a. 3) Juntas de Construcción. b) Longitudinales c) Juntas de Construcción.

Juntas de Contracción: Se construye para aliviar los esfuerzos de contracción en las losas de concreto. D/4 -- D/3 D Ancho de la junta entre 3— 19 mm Asfalto Juntas de Dilatación(Aislamiento): Se colocan para aislar la losa de otras estructuras, como brocales. Se colocan en cruce de calles. En tramos muy largos (Ejemplo 180 , 240 m) de pavimento se recomienda colocarlas. Ejemplo: 180 mts/Long de la losa = 180/5=36 cada 36 losas se coloca una junta de dilatación.

Geometría: D Sub-rasante l a l= Largo de la Losa a= Ancho de la Losa D= Espesor de la Losa Tipos de Sección Transversal: 1. Rectangular (Común). 2. Trapezoidal (Difícil de construir). 3. Parabólica (Difícil de construir). Rectangular Trapezoidal

Ancho de la losa (a): a=2. 75 m, 3. 05 m, 3. 35 m , 3. 65 m Factores de los que depende la separación de la junta (l): • Material de sub-rasante. • Espesor de la losa. l =24. D • l ≤ 1. 5. a

Pavimentos de concreto reforzado sin juntas.

Pavimentos de concreto compactado con rodillo

Factores de Diseño: 1. Resistencia a la flexión del concreto (MR). 2. Resistencia de la sub. rasante o combinación sub-rasante --- base. 3. Peso, frecuencia y tipo de carga que va actuar en el pavimento. 4. Periodo de diseño.

P P d=15 cm L/3 b=15 cm Modulo de Ruptura del concreto M-R: 500 psi 35 kg/cm 2. . . 700 psi 49 kg/cm 2 L=75 cm K= 0. 75 para sistema métrico. K=9 para sistema ingles. f´c= Resistencia a la compresión del concreto a los 28 días.

2. Resistencia de la sub. rasante o combinación sub-rasante --- base. K= Modulo de Westergaard, relación de la sub-rasante, ensayo de carga sobre placa metálica. p=P/A ; se mide la deformación (Δ ) Placa �� =30 plg. Base Sub-rasante Esfuerzo Def El ensayo mide la deformación de la base, es muy costoso por lo que se usa la relación con el CBR

Se relaciona K CBR KB= K base KSR= K sub-rasante. KD= K diseño K= 50 pci --------800 pci (lbs/plg 3) Malo Para Sub-Rasante Para Sub-Base Para Base Excelente

Valores de K para diseño: K de la subrasante Valor de KD para espesores de bases no tratadas 4 ¨ 6¨ 9¨ 12¨ 50 65 75 85 110 100 130 140 160 190 200 220 230 270 320 300 320 330 370 430 K de la subrasante Valor de KD para espesores de bases tratadas con cemento 4 ¨ 6¨ 8¨ 10¨ 50 170 230 310 390 100 280 400 520 640 200 470 640 830 -

Factor de Seguridad en las cargas (FS): FS=1, Para calles residenciales, carreteras rurales bajo % de camiones. FS=1. 1 Para autopistas, calles importantes con % de camiones moderado ( 3 ---5%). FS=1. 2 Para autopistas y calles con trafico pesado.

Procedimiento de Diseño El proyectista decide sobre: 1. Tipo de junta y hombrillo. 2. Resistencia del concreto a la flexión. 3. Valor combinado de KD. 4. Factor de seguridad. 5. Distribución de cargas. 6. Número de cargas esperadas en el periodo de diseño. 7. Aparatos transmisores de carga (Pasadores, dowels).

Calculo de Aceros en Pavimentos de Concreto 1) Barras de Amarre o Unión: a a= Ancho de la Losa 1 pie D lb a lb lb= Largo de la barra

As=a. D. 1. Ϫc. f/fs D =Espesor Losa (plg) a= Ancho de canal (pies) Ϫc=Densidad de concreto (lbs/pie 3) As=Area de acero (plg 2) fs= Esfuerzo de trabajo del acero (psi) f= Fricción Losa – Suelo ≈1. 5 p= Perímetro de la barra Para el largo de la barra (L) As. fs= lb. p. Rcad= Resistencia del concreto a la adherencia = 0. 10 Rcc =350 psi Rcc= Resistencia del concreto a la compresión a los 28 días=3500 psi Para la barra completa L=2. lb

Como son las barras de unión: • Barras estriadas • Diámetro desde 3/8” a 1/2” • Se colocan en la mitad de la losa, paralela a la base • Separación máxima 75 cm 2) Pasadores, Dowels: Se puede conseguir ya tabulados D= Espesor de la Losa. L = Longitud de la barra. S= Separación. D (plg) Ø L (plg) S (plg) 6 ¾ 18 12 7 1 18 12 8 1 18 12 9 1 ¼ 18 12 10 1 ¼ 18 12 11 1 ¼ 18 12 12 1 ½ 18 12 13 1 ½ 18 12 14 1 ½ 18 12

D/2 D Para que el pasador quede en la mitad, se puede fabricar una estructura llamada la cesta Los pasadores son barras lisas, anticorrosivas, se colocan lubricadas, se colocan con una capsula en la punta

3) Acero de Distribución, acero por retracción y temperatura Por lo general se utiliza malla electrosoldada (Tipo Trucson) o se fabrica en obra la malla. La malla se debe colocar en la parte superior de la losa para que amarre las grietas que se producen en la superficie

En el caso de arcillas expansivas, se debe colocar doble malla (armadura doble), es decir, arriba y abajo.

Métodos de Diseño • Método AASHTO Cargas Equivalentes Totales. • Método PCA Cargas por Eje. Método AASHTO para Diseño de Pavimentos Rígidos • Se debe decidir si se va a construir directamente sobre la subrasante o si se va a usar una base. • Las losas no pueden ser muy largas porque se convan por la temperatura ambiente. • ESAL (pav. Rigidos)=ESAL (pav. flexible)/0. 67 • Para diseñar hay que conocer la resistencia de la sub-rasante, se utiliza el modulo de reacción de la subrasante (K).

• En el caso de usar subbase se usa “K∞” en vez de “K”. K∞=Modulo Compuesto (Fig. 3. 3 guía) • Cuando por debajo de la subrasante existe una fundación rígida a una distancia de la subrasante menor a 3 m, el modulo de reacción de la subrasante debe ser modificado. (Fig. 3. 4 guía). Cuando el modulo de reacción de la subrasante se determina, tomando muestras durante un año (cada mes se muestra una muestra) se puede utilizar la ecuación

• Perdida de soporte de la subrasante. Para tomar en cuenta la potencial perdida de soporte de la losa de pavimento por razones de erosión o por asentamientos verticales diferenciales, el modulo efectivo de la subrasante debe reducirse por un factor LS. (Fig. 3. 6 guía). Rangos de LS para diferentes tipos de materiales (Tabla 3. 4 guía) • Coeficiente de transferencia de carga “J”. El coeficiente de transferencia de carga J, es un coeficiente utilizado para tomar en cuenta la capacidad de una estructura de pavimento en transmitir una carga a través de la junta o grietas

• Coeficientes de drenaje Cd para el diseño de pavimentos rígidos. Se basa en la calidad del drenaje y el porcentaje de tiempo que la estructura de pavimento esté expuesta a niveles de humedad cercanos a la saturación (Tabla 3. 5 guía). • Modulo de Elasticidad del concreto. Ec (psi), f´c (psi) • Modulo de ruptura del concreto (Sc). Se determina según el ensayo ASTM, el valor promedio determinado a los 28 días utilizando la carga aplicada en los tercios de la viga establecida para el ensayo. • Ecuación de Diseño. También se puede usar el ábaco de la Fig. 3. 7 guía.

TAREA: Diseñar el espesor de un pavimento rígido de una vía rural de 4 canales de 3. 65 m, hombrillo de 2. 5 m (asfalto). Drenaje en una semana y 1% del tiempo. Diseñar aceros. K=200 pci (lbs/plg 3) ESAL=3 x 10^6 e. e N=20 años R=95% Zr=-1. 645 So=0. 40 Sc=425 psi Ec=4 x 10^6 psi ΔPSI= po-pt=4. 5 -2=2. 5 Solución: • De la tabla 3. 4 LS=1 (perdida de soporte de la SR) • Con K=200, LS=1 Fig. 3. 6 K=70 (Modulo de reacción de la SR) • Coeficiente de transferencia de carga J Tabla 3. 2 • Coeficiente de drenaje Cd , Tabla 3. 5 Cd=1. 10 Sustituyendo en la ecuación D=10. 25”.

Método PCA (Portland Cement Association) • Se Evalúan los Esfuerzos Equivalentes y Los Factores de Erosión. Los cuales deben tener un porcentaje ambos por debajo del 100%. • Usar Sub. Base o no: Con K de la SR Fig 2. CBR=? de la SR , si CBR≤ 3% Usar Sub. Base Se va a la tabla 1 o 2, se escoge un espesor y se halla K. • Recomendación: Dmin para trafico liviano 6” y para trafico pesado 8”. • Para Evaluar Esfuerzos Equivalentes: Tabla 6 a y 6 b son función del uso de hombrillo de concreto o no, espesor de la losa, K de diseño y si los ejes son simples o dobles. • Cuando se usa un brocal-cuneta se considera como un hombrillo de concreto. • Para Evaluar Factores de Erosión: Tabla 7 a y 7 b son función del uso de las juntas con pasadores o no, espesor de la losa, K de diseño y si los ejes son simples o dobles.

Tabla de Calculo: o 8 a o 8 b Fig. 6 a o 6 b análisis de erosión(# Cargas

Tabla de Calculo: Continuación o 8 a o 8 b Fig. 6 a o 6 b análisis de erosión (# Cargas De no dar el porcentaje de Fatiga y Erosión (ambos) menor que el 100%, se debe aumentar el espesor de la losa (D).

Método PCA (Portland Cement Association) Ejemplo:

Solución: N°Camiones 1. 366. 560, 00

Nota: Se puede tantear con 7, 5” a ver si cumple