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20 y 21 de Marzo de 2012
JORNADAS DE ACTUALIZACIN TCNICA
DISEO Y CONSTRUCCIN DE PAVIMENTOS DE HORMIGN
DISEO DE PAVIMENTOS RGIDOSIng. Diego H. Calo
DNV Distrito VI - San Salvador de Jujuy
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NDICE DE LA PRESENTACIN2
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Componentes Principales del Sistema
Junta Longitudinal
Junta Transversal
Subrasante
Subbase o base
Espesor
Pasadores
Calzada de Hormign
Barras de Unin
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FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RGIDOS
Fisuracin Longitudinal / TransversalDescripcin: Fisuras con orientacin
longitudinal o transversal al eje del
pavimento.
Causas posibles:
Fisuracin por fatiga: espesor de calzadainsuficiente y/o separacin de juntas
excesiva.
Reflexin de juntas o fisuras de capasinferiores o losas contiguas.
Prdida de soporte por erosin (T).
Asentamientos diferenciales (L).
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Tensiones en Pavimentos Rgidos
Datos:
Espesor: 25 cm.
Largo: 4,50 m. Ancho: 3,65 m.
T: 0C.
k: 150 MPa/m
Eje simple 100 KN
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Tensiones en Pavimentos Rgidos
Datos:
Espesor: 25 cm.
Largo: 4,50 m.
Ancho: 3,65 m.
T: 0C.
Eje simple 100 kNK: 50 MPa/m
K: 100 MPa/m
K: 150 MPa/m
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7Influencia de la Rigidez de apoyo en
las tensiones generadas
Esubbase =
Esubbase = 0
Esubbase =
Esubbase = 0
Caso 1: Fundacin Perfectamente Rgida
Caso 2: Fundacin Muy Flexible
Debido a la rigidez de la fundacin, la carga nogenera deflexiones ni tensiones en la losa.
Durante una carga medioambiental, la fundacinno acompaa la deformacin de la losa y se
genera prdida de apoyo.
Debido a la falta de soporte la losa deflectasignificativamente y se generan elevadastensiones de flexin.
Durante una carga medioambiental, la fundacinacompaa la deformacin de la losa
manteniendo su soporte.
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Tensiones en Pavimentos Rgidos
Datos:
Espesor: 25 cm.
Largo: 4,50 m.
Ancho: 3,65 m.
T: 10C.
E: 35 GPa.
CET: 1,10 10-5 1/CK: 50 MPa/m
K: 100 MPa/m
K: 150 MPa/m
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Descripcin: Movimiento del agua (con
material en suspensin) ubicada debajo de la
losa o su eyeccin hacia la superficie comoresultado de la presin generada por la accin
de las cargas.
Causas (deben coexistir):
Material fino capaz de entrar en suspensin
(arenas finas y limos).
Disponibilidad de agua en las capas inferiores
del pavimento.
Deflexiones excesivas en bordes y esquinas.
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RGIDOS
Erosin por Bombeo y Escalonamiento
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Carga
AguaBase / Subbase
Losa anterior Losa posterior
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RGIDOS
Erosin por Bombeo y Escalonamiento
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Carga
Base / Subbase
Losa anterior Losa posterior
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RGIDOS
Erosin por Bombeo y Escalonamiento
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Base / Subbase
Losa anterior Losa posterior
Carga
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RGIDOS
Erosin por Bombeo y Escalonamiento
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Carga
Base / Subbase
Losa anterior Losa posterior
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RGIDOS
Erosin por Bombeo y Escalonamiento
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Carga
Base / Subrasante
Losa anterior Losa posterior
Escalonamiento
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RGIDOS
Erosin por Bombeo y Escalonamiento
Acumulacin de finosErosin de material
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Trnsito
Escalonamiento Inicial Banq. Externa
Juntas TransversalesJuntaLongitud.
Banq.Externa
Incremento delescalonamiento
Banq.Externa
3ER
ETAPA
2DA ETAPA
1ER ETAPA
Eyeccin de Finos
Eyeccin de Finos
FisuracinTransversal
FALLAS PRINCIPALES EN PAVIMENTOS RGIDOS
Erosin por Bombeo y Escalonamiento
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C d i
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Cundo es necesario unasubbase?
Existe riesgo de erosin por bombeo cuando
se presentan en forma simultnea las
siguientes condiciones:
Repeticiones reiteradas de cargaspesadas (camiones) capaces degenerar deflexiones importantes en
juntas y bordes de la calzada dehormign.
Disponibilidad de agua en la interfaselosa subbase banquina.
Una subrasante compuesta porsuelos finos o capaces de entrar en
suspensin.
Cuando en un pavimento determinado se prevea la eventual coexistencia de estos factores
el EMPLEO DE UNA SUBBASE NO EROSIONABLE ES DE CARCTER OBLIGATORIO.
Material Fino Erosionable
TrnsitoPesado
Agua Disponible
E
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Subbases granulares
Requisitos generales Espesor mnimo: 10 cm. Tamao mximo < 1/3 del espesor. P200 < 15%. Desgaste Los Angeles < 50%.
El criterio principal para emplear una subbase granular en un pavimento dehormign es el de limitar el contenido de finos que pasan el Tamiz #200.
Recomendaciones: No emplear espesores mayores de 15 cm. Deber especificarse una densidad mnima del98% del T-180.
Si el material cuenta con excesivos
contenidos de finos, la capa puedealmacenar agua encontrndose disponiblepara la erosin por bombeo
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Subbases tratadas con cementoCaractersticas (ACPA):
Espesor mnimo: 10 cm.
Tipo de suelo recomendado para trnsito pesado:
A1, A2-4, A2-5 y A3 (ACPA). Tamao mximo: 75 mm.
Durabilidad por congelamiento deshielo y
humedecimiento secado.
Contenidos de Cemento: de 2% a 5%.
Resistencia a compresin: de 2,1 a 5,5 MPa.
Resistencia a Flexin: de 0,7 MPa a 1,4 MPa.
Mdulo de elasticidad: 600.000 a 1.000.000 psi(de 4100 a 6900 MPa).
Romper la adherencia con emulsin asfltica, film
de polietileno o dos capas de membrana en base
a parafina.
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Subbases de Hormign PobreRequisitos:
Espesor mnimo: 10 cm.
Resistencia a compresin de 5 MPa a 8 MPa.
Contenido de cemento de 120 a 200 kg/m3.
Contenido de aire de 6 a 8%. Tamao mximo hasta de 25 a 50 mm.
Tolerancias: 6 mm en la regla de 3 m.
Pueden ser densas o drenantes (H poroso).
Recomendaciones constructivas:
En general no suele especificarse la ejecucin de
juntas en la subbase de hormign pobre. Una terminacin lisa es conveniente (menor
friccin).
Se recomienda romper la adherencia con la
calzada mediante un film de polietileno. Subbase de Hormign Poroso
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Deformaciones en Pavimentos Rgidos
Datos:
Espesor: 25 cm.
Largo: 4,50 m.
Ancho: 3,65 m.
T: 0C.
k: 150 MPa/m
Eje simple 100 KNCarga Interna - Dzmax: 0,144 mm (100%) Carga en Borde - Dzmax: 0,26 mm (180%)
Carga en Junta - Dzmax: 0,389 mm (270%) Carga en Esquina - Dzmax: 0,646 mm (450%)
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Con cordn integral,si el cordn se ejecuta en una
segunda etapa, no haycontribucin estructural
TRANSFERENCIA DE CARGA
D2 = 0
D1 = x
Mala Transferencia de Carga
Trabazn entre agregados
Pasadores
Banquina de hormign Banquina Vinculada
Cordn Cuneta
Sobreancho de Carril
Es la capacidad de una losa de transferir su carga a una losa vecina
D1 = X/2 D2 =X/2
Buena Transferencia de Carga
Tienen unefecto similar
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Transferencia de Carga en Juntas Transversales
Trabazn entre agregados por
debajo del aserrado primario
23Transferencia de Carga en Bordes de
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Transferencia de Carga en Bordes deCalzada
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Sobreancho de Calzada
Datos:
Espesor: 25 cm.
Largo: 4,50 m.
Ancho: 4,25 m.
T: 0C. CET: 1,10 10-5 1/C
k: 150 MPa/m.
Eje Simple: 100 KN
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
0 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75
Distancia al Borde, m
TensionesMxim
as(FondodeLosa),MPa
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
DeformacinMxima,m
Tensiones - Carga en Borde
Deformaciones - Carga en Esquina
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Influencia de la transferencia de Carga
Carga Interna - Dzmax: 0,134 mm (100%) En Esquina sin sob y sin pas - Dzmax: 0,506 mm (377%)
Datos:
Espesor: 25 cm.
Largo: 4,50 m.
Ancho: 4,25 m. T: 0C.
E: 35 Gpa.
k: 150 MPa/m.
Eje Simple: 100 KN En Esquina sin sob y con pas - Dzmax: 0,350 mm (260%)
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I fl i d l f i d C
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Influencia de la transferencia de Carga
Carga Interna - Dzmax: 0,134 mm (100%) En Esquina con sob y sin pas - Dzmax: 0,295 mm (220%)
Datos:
Espesor: 25 cm.
Largo: 4,50 m.
Ancho: 4,25 m. T: 0C.
E: 35 Gpa.
k: 150 MPa/m.
Eje Simple: 100 KN En Esquina con sob y con pas - Dzmax: 0,216 mm (160%)
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Mtodo de la Portland Cement
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Mtodo de la Portland CementAssociation
Procedimiento Emprico- Mecanicista basado en
respuestas de pavimentos matemticamente
calculadas. Calibrado con Ensayos de campo y rutas en servicio.
Lanzado originalmente en 1966 y revisado en 1984.
Limita las tensiones desarrolladas en el Pavimento(Criterio de verificacin por fatiga). Limitante para
bajo trnsito pesado.
Limita las deflexiones desarrolladas en bordes y esquinas (Criterio de
verificacin por erosin). Limitante para elevado trnsito pesado.
Recientemente el ACPA ha lanzado una nueva versin para vas de Bajo Volumen
de Trnsito Pesado (ACPA StreetPave).
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Ubicacin Crtica de Cargas
Posicin crtica de la carga paralas Tensiones de Flexin
Banquina de Hormign(si existe)
Carril
Junta transversal
EjeTndem
Posicin crtica de la carga paralas Deformaciones
Banquina de Hormign(si existe)
Carril
Junta transversal
EjeTndem
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Factores involucrados en el diseo
Capacidad soporte de la subrasante (k subrasante).
Tipo y espesor de Subbase (k combinado).
Propiedades mecnicas del hormign.
Perodo de diseo.
Trnsito. Configuracin de cargas por eje.
Transferencia de cargas en juntas transversales (pasadores /trabazn entre agregados).
Transferencia de carga en bordes (Tipo de banquina /sobreanchos de calzada).
Factor de seguridad de cargas. Siempre incorporarel valor medio o ms
probable
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METODO AASHTO 1993
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METODO AASHTO 1993AASHO Road Test (1958-1960)
Tercer ensayo a gran escala enpavimentos.
Se evaluaron secciones depavimento rgido y flexible.
Se evaluaron distintasconfiguraciones de carga,espesores de calzada y subbase.
Se estudiaron secciones depavimentos de hormign simple yreforzado.
Objetivo central: desarrollarrelaciones entre cargas de trnsitopesado aplicadas, estructura delpavimento y prdida deServiciabilidad.
Circuitos de Ensayo AASHO
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Circuitos de Ensayo AASHO
Procedimiento AASHTO y sus
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Procedimiento AASHTO y susmodificaciones
1961-62 AASHO Interim Guide for theDesign of Rigid and FlexiblePavements
1972 AASHTO Interim Guide forthe Design of PavementStructures - 1972
1981 Revised Chapter III on
Portland Cement ConcretePavement Design
1986 Guide for the Design ofPavement Structures
1993 Revised Overlay DesignProcedures
1998 Allowed for seasonaladjustments in k-value
Ecuacin de Diseo de Pavimentos de
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( )
+
LogPSI
4.5 - 1.5
1 +1.624 *10
D
7
+
18 46.
Log(W18) Z *s +7.35 *Log(D +1) -0.06R o=
Variable Z (Conf:R) Desvo EstndarGlobal Espesor
Cambio de Serviciabilidad
( )+ 4.22 - 0.32p
t
*
( )
Log
215.63*J * D -18.42
E /k
0.75
c
0 25.
ServiciabilidadFinal
[ ]S' C D 1.132c d 0.75 * *
Coeficientede drenaje
Transferencia
de Carga
Mdulo deRotura
Mdulo de
elasticidad
Modulo de
reaccin
Ecuacin de Diseo de Pavimentos deHormign 1986-93
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METODO AASHTO 1993
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Serviciabilidad Inicial (po). Serviciabilidad final (pt).
Perodo de diseo Trnsito en ejes equivalentes (W18) Factor de transferencia de carga (J)
Mdulo de rotura del Hormign (MR) Mdulo de elasticidad del Hormign ( Ec) Mdulo de reaccin de la subrasante (k, LOS)
Coeficiente de drenaje (Cd) Confiabilidad (R, ZR). Desvo Global (so).
METODO AASHTO 1993
Factores involucrados en el diseo
Siempre incorporarel valor medio o ms
probable
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Transferencia de Carga - Efecto de pasadores y
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Transferencia de Carga Efecto de pasadores yBanquina de Hormign
La transferencia de carga en las juntas y bordes de calzada se tiene encuenta mediante el Factor de Transferencia de Carga, J.
Depende del tipo de pavimento, de las condiciones de soporte debordes y de la transferencia de carga en juntas.
ESALs [Millones]
Soporte de Borde
JPCP y JRCP (c-pas) JPCP (s-pas)
NO SI NO SI
< 0,3 3,2 2,7 3,2 2,8
0,3 a 1 3,2 2,7 3,4 3,0
1 a 3 3,2 2,7 3,6 3,13 a 10 3,2 2,7 3,8 3,2
10 a 30 3,2 2,7 4,1 3,4
> 30 3,2 2,7 4,3 3,6
Fuente: WinPAS Manual - Simplified Design Guide.
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Propiedades de la Subrasante
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Propiedades de la Subrasante/Subbase
Mdulo resilientesubrasante (Mr)
Tipo de Subbase (E) Espesor de Subbase
Prdida de
Soporte
Mdulo de reaccin Combinado (kc)
Propiedades de la subrasante y Subbase asociadas aldiseo son:
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Propiedades de la Subrasante
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Propiedades de la Subrasante
/SubbasePrdida de soporte
La Prdida de soporte tiene encuenta la erosin de la subbasey subrasante.
Mediante este factor se reduceel valor k debido a la esperadapor la erosin de la subrasante.
Una prdida de soporte de 0
considera la condicin del sueloen el ensayo AASHO. Este valor se sita entre 0 y 3.
A excepcin que se preveauna resistencia a la erosin inferior a
la condicin de la prueba AASHO,adoptar LOS = 0
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LIMITACIONES DEL MTODO
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AASHTO ACTUAL
Una zona climtica / 2 aos Un tipo de subrasante
Limitadassecciones
de estudio
Limitadas repeticiones de carga
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MEPDG
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MEPDGCLAVES QUE POSIBILITARON EL CAMBIO
Los fundamentos tcnicosdesarrollados en las ltimas 3 dcadasa travs de las distintasinvestigaciones llevadas a cabo enpavimento permitieron el desarrollo deun procedimiento de base mecanicista.
La disponibilidad de informacin
relativa a performance a largo plazorecabada en pavimentos en servicio(LTPP) que permiti la calibracin yvalidacin de dichos modelos.
La velocidad de los procesadoresactuales y la capacidad dealmacenamiento de las computadoras
modernas.
40Datos
Suelos Materiales Trnsito Clima
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Diseo a Evaluar
Suelos Materiales Trnsito Clima
Respuestas Estructurales (, , )
Modelos de Prediccin de comportamientoFallas Rugosidad
Verificacin del ComportamientoCriterio de falla
ConfiabilidadNO
SI
Diseo Final
RE
VISARDISE
O
CumpleRequisito
de Diseo?
EVALUACIN DE PAVIMENTOS DE HS41
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FISURACIN POR FATIGA
TensionesCrticas
CARGA SOBRE BORDEEXTERNO Y ALABEO
CONVEXO
(situacin diurna).
TensionesCrticas
CARGA SOBRE JUNTAS YALABEO CNCAVO (Situacin
Nocturna)
EVALUACIN DE PAVIMENTOS DE HS 42
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ESCALONAMIENTOS DE JUNTAS Mximas deflexiones en esquinas
(POSICIN CRTICA).
Concentracin de tensiones en
interfase losa-apoyo. Disponibilidad de agua por debajo de
la losa.
Finos disponibles para entrar ensuspensin (EROSIONABILIDAD)
EVALUACIN DE PAVIMENTOS DE HS43
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RUGOSIDAD
Se determina a partir de: IRI inicial de construccin
Evolucin de deterioros (fisuracin, escalonamiento, etc)
Condiciones climticas.
No existe un modelo de deterioro que prediga la evolucin de la rugosidad
EVALUACIN DE PAVIMENTOS DE HSC C
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VERIFICACINEl diseo propuesto ser verificado con el criterio de verificacin para cada tipo defalla.
Fisuracin
(Mximo permitido)
De 10% a 45%
Escalonamiento
(Mximo permitido)
De 2,5mm a 5,0mm
Rugosidad
(Mximo permitido)
De 2,5 m/km a 4,0m/km
45MEPDG - SOFTWARE
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Perodo de diseo, Tipo de Pavimento, fecha deConstruccin e inauguracin.
Umbrales de deterioro, Confiabilidad, RugosidadInicial.
Volumen inicial de vehculos pesados y crecimiento.Distribucin mensual y horaria de cada tipo de
vehculo Distribucin de cargas para cada tipo de vehculo y
tipo de eje.
Ubicacin respecto a la lnea demarcatoria (Media,So), Ancho de carril, Configuracin de ejes para cadacategora, distancias tpicas entre ejes y ruedas,
presin de inflado, etc.
Seleccin de estacin climtica.
Espesor de calzada, separacin de juntas, tipo desellado, configuracin de pasadores, tipo de
Banquinas, ancho de losa, caractersticas fsicas ymecnicas, etc.
Tipo de Base, Caractersticas mecnicas, Resistenciaa la erosin.
Caractersticas fsicas y mecnicas de las capas
restantes y subrasante.
MEPDG - SOFTWARE46
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MEPDG SOFTWARE
Predicted Cracking
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Pavement age, years
Percents
labscracked,
%
Percent slabs cracked
Cracked at specified reliability
Limit percent slabs cracked
QUE FACTORES PUEDEN ANALIZARSE?47
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QUE FACTORES PUEDEN ANALIZARSE?
COEFICIENTE DE DILATACIN TRMICA
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25
Edad, aos
LosasFisu
radas,
%
CTE = 13 x 10-6 1/C
CTE = 12 x 10-6 1/C
CTE = 11 x 10-6 1/C
CTE = 10 x 10-6 1/C
CTE = 9 x 10-6 1/C
SEPARACIN DE JUNTAS TRANSVERSALES48
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SEPARACIN DE JUNTAS TRANSVERSALES
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25
Edad, aos
Losas
Fisuradas,
%
S = 5,50 m
S = 5,25 m
S = 5,00 m
S = 4,75 m
S = 4,50 m
MDULO DE ELASTICIDAD DEL HORMIGN
49
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MDULO DE ELASTICIDAD DEL HORMIGN
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25Edad, aos
LosasFisuradas,
%
E = 38 GPa
E = 36 GPa
E = 34 GPa
E = 32 GPa
E = 30 GPa
TRANSFERENCIA DE CARGA
50
-
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DIMETRO DE PASADORES
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5 10 15 20 25
Edad, aos
Escalon
amiento,mm
Sin Pasadores
Pasadores 25 mm
Pasadores 32 mm
Pasadores 38 mm
Pasadores 32 mm c-sob
TRANSFERENCIA DE CARGA EN BORDES Y JUNTAS
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TRANSFERENCIA DE CARGA EN BORDES Y JUNTAS
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5 10 15 20 25
Edad, aos
Escalon
amiento,mm
Sin Pasadores
Sin Pasadores c-Sob
Pasadores 32 mmPasadores 32 mm c-sob
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ACPA StreetPave
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Mtodo de diseo de pavimentosde hormign basado en el mtodode la Portland Cement
Association (1984). Se haba desarrolladooriginalmente como un nuevosoftware bajo Windows que
reemplazara el PCAPAV Se recomienda aplicarlo para el diseo de arterias con bajos volmenes de
trnsito pesado.
Se consider que algunos aspectos del mtodo anterior llevaban asoluciones muy conservadoras, por lo cul fue extensivamente revisado.
Se conservaron ambos criterios de verificacin, aunque eliminando aquellos
factores que se consider que generaban un sobre-dimensionamiento.
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MODELO DE FATIGA (PCA)
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MODELO DE FATIGA (PCA)
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MODELO DE FATIGA (ACPA)
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O O G ( C )
0
2
4
6
8
10
12
14
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Relacin de Tensiones
Numerodeaplicacionesadmisibles,Log
PCA
S = 95%
S = 90%S = 80%
S = 70%
S = 60%
S = 50%
( )217.0
24.10
0112.0
log)log(
=
SSRNf
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FACTORES INVOLUCRADOS EN EL
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Valor soporte de los suelos de subrasante. Tipos, espesores y Mdulos de las distintas capas (kc). Propiedades mecnicas del hormign (MR, E). Perodo de diseo. Trnsito. Configuracin de cargas por eje. Crecimiento, Distribucin, etc.
Transferencia de cargas en juntas transversales (pasadores / trabaznentre agregados).
Transferencia de carga en bordes (Tipo de banquina / sobreanchos decalzada).
Confiabilidad. Porcentaje de Losas Fisuradas.
DISEO
56PORCENTAJE DE LOSASFISURADAS
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FISURADAS
Clasificacin Confiabilidad Losas FisuradasLosas fisuradas(valor probable)
Residencial Liviano 75 % 15 % 7,5 %
Residencial 80 % 15 % 6 %
Colectoras 85 % 10 % 3 %
Arteria Menor 90 % 10 % 2 %
Arteria Principal 95 % 5% 0,5 %
Efecto combinado del Porcentaje de losas fisuradas con la confiabilidad.
( )5.0
11 LF
PRS
=
50%/FisuradasLosasdad)Confiabili(100%ProbableValor =
Ejemplo (ACPA StreetPave)57
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Ejemplo (ACPA StreetPave)58
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Ejemplo (ACPA StreetPave)59
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Ejemplo (ACPA StreetPave)64
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Ejemplo (ACPA StreetPave)65
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Ejemplo (ACPA StreetPave)66
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ING. DIEGO H. CALO
COORDINADOR
DEPARTAMENTO TCNICO DE [email protected]
GRACIAS