colombia - lanamme.ucr.ac.cr · ranking: 5th-8th in latinoamérica. ... el mundo es incierto ......
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San José de Costa Rica, 22-24 de Mayo de 2013
San José, Costa Rica Julio 27-28 2017
Importancia de Incorporar Conceptos de Incertidumbre en la Ingeniería de Pavimentos
Silvia Caro
Departamento de Ingeniería Civil y AmbientalUniversidad de los Andes (Bogotá, Colombia)
Colombia
1’038,700 km2 (aprox. 22 veces el tamaño de Costa Rica)
45 millones de habitantes
Capital: Bogotá D.C.
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Colombia
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Bogotá DC
2600 msnm
7.5 millones de habitantes
Temperatura: [7ºC-22ºC]
Periodo lluvias: Marzo - Mayo
Bogotá
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Fundada en 1948 (actualmente 17,000 estudiantes approx.).
Ranking: 5th-8th in Latinoamérica.
Clasificada como primera en Colombia.
Programas ingeniería ABET acreditados.
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental: 2,000 estudiantes
28 profesores de planta
Uniandes
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Grupo de InvestigaciónGeomateriales y Sistemas de Infraestructura - GeoSI
Mauricio Sánchez
Bernardo Caicedo
Nicolás Estrada
Silvia Caro
Miguel Ángel Cabrera
Uniandes
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Accelerated Loading Facility
Laboratorio Integrado de Ingeniería Civil y Ambiental
Uniandes
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Thermostatic
Bath
High Air
Pressure
System
Relative Humidity
Recirculation Unit
Climatic
Chamber
Laboratorio Integrado de Ingeniería Civil y Ambiental
Hollow Cylinder Tester for Asphalt-Mixtures (HCT-AM)
Uniandes
Laboratorio Integrado de Ingeniería Civil y Ambiental
Centrífuga para modelación física en geotecnia
Uniandes
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GeoSI - estudiantes graduados
Uniandes
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Volviendo a lo que vinimos….
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El mundo es incierto….
¿Qué nos hace pensar que la ingeniería de pavimentos no lo es?
Y si reconocemos su incertidumbre, ¿qué estamos haciendo para cuantificarla?
http://www.intodmentia.com/videos/
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Componente Fuente
Materiales
Caracterización de los suelos naturales (subrasante)Calidad y variabilidad de las fuentes de materialesCalidad y variabilidad de los materiales en sitioPropiedades finales de los materiales en campo
Procesos Constructivos
Control de calidad de la construcción (compactación)
Espesor final de las capas
CargaEspectro de carga
Interacción pavimento-llanta
Clima
Regímenes térmicos
Regímenes de agua (lluvias,sequías, etc.)
Efectos de envejecimiento
Fuentes de incertidumbre en ingeniería de pavimentos
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Fuentes de incertidumbre en ingeniería de pavimentos
Temporada de lluvias 2010
Barrancabermeja (Colombia)
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Fuentes de incertidumbre en ingeniería de pavimentos
Temporada de lluvias 2011
Bogotá (Colombia)
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Componente Fuente
Materiales
Caracterización de los suelos naturales (subrasante)Calidad y variabilidad de las fuentes de materialesCalidad y variabilidad de los materiales en sitioPropiedades finales de los materiales en campo
Procesos Constructivos
Control de calidad de la construcción (compactación)
Espesor final de las capas
CargaEspectro de carga
Interacción pavimento-llanta
Clima
Regímenes térmicos
Regímenes de agua (lluvias,sequías, etc.)
Efectos de envejecimiento
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Fuentes de incertidumbre en ingeniería de pavimentos
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Variabilidad en las Propiedades de los Materiales Disponibles para la Construcción de Vías
Caso de Asfaltos Colombianos
Universidad del Magdalena – Uniandes – Lanamme UCR
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Colombia es productor de asfalto:
Aprox. 810,000bbl/día(26th en el mundo)
El país consume 1/3 de la producción y exporta el resto.
El crudo se procesa en tres refinerías, dos de las cuales producen asfalto.
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Producción de asfalto en Colombia:
Las ‘dietas’ de los crudos a refinar cambian frecuentemente (¿impacto en la calidad final del material?).
El asfalto se clasifica con base en el ensayo de Penetración (?)
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Clasificación de asfaltos basada en Penetración:
Indicador de ‘dureza del material’.
Ignora la susceptibilidad térmica del material.
No captura la complejidad química –reológica del material.
¿Qué tan variables son las propiedades fundamentales del asfalto que se emplea en pavimentación en Colombia?
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18 muestras de asfalto colombiano clasificado como 60-70 [1/10 mm] de la principal refinería de Colombia
Ensayos básicos y ensayos de caracterización avanzados (reología, termodinámica, química)
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Caracterización básica: penetración
50
55
60
65
70
75P
enet
rati
on
(1/1
0 m
m)
Muestra asfalto
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Caracterización básica: punto de ablandamiento
46
48
50
52
54
56
58
Pu
nto
de
ab
lan
dam
ien
to (
°C)
Muestra Asfalto
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Energía superficial libre (ESL): propiedad termodinámica relacionada con la resistencia a la fractura y la capacidad de adhesión:
0
5
10
15
20
ESL
(erg
s/cm
2 )
Muestra de Asfalto
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Módulo dinámico de corte (G*) – curvas maestras (25ºC)
1,0E+02
1,0E+03
1,0E+04
1,0E+05
1,0E+06
1,0E+07
1,0E-04 1,0E-02 1,0E+00 1,0E+02
|G*
| (P
a)
Frecuencia reducida (Hz)
"06-13"
"09-13"
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5,0E+05
1,0E+06
1,5E+06
2,0E+06
2,5E+06
3,0E+06
03-1
3
04-1
3
05-1
3
06-1
3
07-1
3
08-1
3
09-1
3
12-1
3
03-1
4
04-1
4
08-1
4
09-1
4
02-1
5
04-1
5
05-1
6
08-1
6
11-1
6
01-1
7
|G*|
(P
a)
Muestras de Asfalto
Módulo dinámico de corte (G*) [10Hz, 25ºC]:
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Composición química:
0.0010
0.0012
0.0014
0.0016
0.0018
0.0020
0.0022
0.0024
0.010
0.011
0.012
0.013
0.014
0.015
0.016
0.017
0.018
03-1
3-
05-1
3-
03-1
4-
09-1
4-
02-1
5-
04-1
5-
05-1
6-
08-1
6-
Ca
rbon
yl in
de
xSu
lfo
xide
in
de
x
Asphalt
Sulfoxide Index
Carbonyl Index
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Composición química (estudios previos):
Fecha de muestreo
Po
rce
nta
je (
%)
asfaltenos
saturados
resinas
aromáticos
ceras
Arenas (2008)
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Variabilidad de las propiedades de asfaltos Pen 60-70:
PropiedadCoeficiente de variabilidad entre muestras COV (%)
Penetración 5.5%
Punto de ablandamiento 4.3%
Módulo dinámico (G*) 19-25%
Energía Superficial Libre (SFE) 20%
Adhesión con diferentes agregados
43 – 52%
Índice de carbonilos 22%
Índices de sulfóxidos 15.6%
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Baja variabilidad en las propiedades básicas entre muestras de asfalto Pen 60-70: oculta la variabilidad real de las propiedades fundamentales material.
Sistemas de clasificación de asfaltos: pasar de sistemas basados en indicadores a sistemas basados en desempeño (performance-based).
La falta de homogeneidad en las propiedades del asfalto: impacto en el desempeño de las mezclas asfálticas. Mejoras en proceso de producción (en proceso)!
Conclusiones
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Variabilidad en las propiedades de RAP de diferentes fuentes
Caso Bogotá
Reclaimed
Asphalt
Pavement
Es el producto de la trituración de capas asfálticas deterioradas, que se puede utilizar para la elaboración de nuevas vías.
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RAP de diferentes fuentes: alta variabilidad
(West, 2010)
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Caso Bogotá: Acopio al aire libre
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6 muestras del acopio de RAP de la ciudad de Bogotá:
(Carrizosa y Calvo 2016)
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Condiciones apropiadas de acopio del RAP:
(West, 2010)
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0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0,01 0,1 1 10 100
% P
asa
Tamaño del tamiz [mm]
RAP 1
RAP 2
RAP 3
RAP 4
RAP 5
RAP 6
Granulometría del RAP
Ausencia de Finos
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Penetración del asfalto recuperado del RAP (envejecido):
Asfaltos oxidados
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Penetración del asfalto recuperado del RAP (envejecido):
40
45
50
55
60
65
70
Virgen RAP 1 RAP 2 RAP 3 RAP 4 RAP 5 RAP 6
Pu
nto
de
ab
lan
dam
ien
to °
C
Asfalto
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Curva maestra del asfalto recuperado del RAP (envejecido):
1,E+00
1,E+01
1,E+02
1,E+03
1,E+04
1,E+05
1,E+06
1,E+07
1,E+08
0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000
|G*
| (P
a)
Frecuencia reducida (Hz)
Asfalto virgen
Asfaltos recuperados
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Curva maestra del asfalto recuperado del RAP (envejecido):
0,0E+00
1,0E+06
2,0E+06
3,0E+06
4,0E+06
5,0E+06
6,0E+06
|G*|
[P
a]
Alta variabilidad
[10Hz, 25ºC]
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Ensayos de desempeño: fatiga y MSCR (deformación permanente) en morteros asfálticos con 100% RAP:
Alta dispersión entre muestras de RAP!
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Importantes variaciones en las propiedades (y desempeño) del RAP de proveniente de diferentes fuentes de la ciudad.
Si desde el comienzo hay varias fuentes: homogeneizar el material. Si el cambio de fuente ocurre en el transcurso del proyecto, evaluar impacto en el diseño de las mezclas en caliente (altos porcentajes de RAP).
En lo posible, es VITAL usar material de una sola fuente.
Conclusiones
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Modelación de la incertidumbre inducida por la heterogenidad natural de los materiales asfálticos
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Agregados
Vacíos
Matriz fina (FAM):
ligante + finos (pasa # 16)
Castillo (2011-2015)
Heterogeneidad de mezclas asfálticas: induce variabilidad e incertidumbre en la respuesta del material!
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Estructuras de pavimento:
Subrasante
Base
Mezcla Asfáltica h1
h2
∞
Supuesto de materiales :
homogéneos,
Isotrópicos,
Lineales- elásticos
Castillo (2011-2015)
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Campo de deformaciones horizontales (εh)
-3.08
3.18
εh ×10-4
7 cm
100 cm
Campo aleatorio de vacíos
4.43
10.07
AV [%]
Propiedades lineades - viscoelásticas
6200
11900
Eo [MPa]
Air VoidsLVEStrain (εh)
Capturar el impacto de la heterogeneidad inducida por la compactación:
Castillo (2011-2015)
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Distribuciones probables de vacíos en la rodadura
3 14AV [%]
Rodadura
E1 , ν1Capa de base
E2 , ν2Capa de subbase
E3 , ν3Subrasante
En realidad, desconocemos la distribución final de vacíos en las capas compatadas de mezclas
asfálticas!
Castillo (2011-2015)
Construcción de los campos aleatorios de vacíos
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Parte inferior de la carpeta de rodadura
x
1,0E-04
1,2E-04
1,4E-04
1,6E-04
1,8E-04
98 100 102 104 106 108 110
εh
x [cm]
Dispersión en la respuesta
Castillo (2011-2015)
Implementación en Elementos Finitos (EF):
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A nivel micromecánico: Generador Aleatorio Microestructural
Castillo (2011-2015)
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A nivel micromecánico: microestructuras aleatorias
Agregados
Matriz fina, FAM
Vacíos
Castillo (2011-2015)
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A nivel micromecánico: réplicas (cientos!!)
230 aggregates - 66.03 cm²618 air voids - 7.010 cm²
230 aggregates - 65.85 cm²552 air voids - 7.002 cm²
230 aggregates - 66.30 cm²583 air voids - 7.004 cm²
Castillo (2011-2015)
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A nivel micromecánico: implementación en Elementos Finitos
P
Castillo (2011-2015)
e t = g0D0st +g1 DD y t -yt( )
d g2st( )
dtdt
0
t
ò ; y t =dV
aT0
t
ò
Non-linear viscoelastic-mechanical-moisture damage relationship (Texas A&M – PANDA):
Agregados: lineal elástico
Vacíos: sin capacidad estructural
FAM (mortero): formulación de daño en mecánica de medios continuos:
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A nivel micromecánico: resultados mecánicos
Daño(F)
0.0 1.00.5
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A nivel micromecánico: resultados mecánicos
4% vacíos 7% Vacíos
10% vacíos
0,1
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,16
200 250 300 350 400 450 500 550 600
Índ
ice
de
dañ
o
Módulo [MPa]
Granulometrías (NMAS 19.0 mm)
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La heterogeneidad es una fuente importante de incertidumbre y variabilidad en la respuesta y desempeño de mezclas asfálticas!
Reconocer y cuantificar las fuentes de incertidumbre: único paso para desarrollar metodologías de diseño basadas en principios de confiabilidad estructural.
Conclusiones