LIMITACIONES EN EL MÉTODO DE DISEÑO AASHTO - I

Las limitaciones son las siguientes:

·                Variabilidad. Las ecuaciones 9.1 y 9.4 (de diseño) están basadas en tramos de pavimentos muy cortos, donde la construcción y el control de calidad han sido excelentes (pistas AASHO). En la realidad, con tramos más largos, la variabilidad en la construcción y materiales será mucho mayor y como resultado aparecerán fallas localizadas aún antes de alcanzar la serviciabilidad final. Esto se salva considerando niveles de confiabilidad altos (mayores del 50%).

·                Limitación en materiales y subrasantes. La fórmula de diseño fue probada y verificada con los materiales y subrasante del AASHO Road Test. Para distintos materiales es de esperar otro comportamiento del pavimento, pero este inconveniente se salva usando valores de entrada apropiados.

·                Período de análisis muy reducido para el Road Test. Los períodos de análisis o de vida útil en los proyectos reales son mucho mayores que los analizados en el AASHO Road Test, y en éste se pudieron analizar las fallas por efecto del tránsito, pero no las debidas a efectos climáticos que tardan más tiempo en desarrollarse (por ejemplo: corrosión de armaduras, levantamiento de juntas por congelamiento, fisuras de durabilidad, reacciones álcali‑agregado). Por eso es de esperar que los pavimentos construidos en zonas de clima riguroso duren menos de lo previsto. En zonas de clima moderado, los pavimentos pueden llegar a durar más de lo previsto.

·                Diseño de juntas. En el AASHO Road Test sólo se usaron pavimentos con juntas con pasadores. La ausencia de pasadores o el uso de otro dispositivo de transferencia de cargas pueden cambiar notablemente la vida útil del pavimento. El tipo de base puede modificar también la transferencia de cargas. Las recomendaciones para considerar la transferencia de cargas a través del coeficiente J son poco claras, motivo por el cual se debería limitar el uso de los valores extremos, especialmente de los muy bajos.

·                Diseño de armaduras. El cálculo de armaduras longitudinales en pavimentos de hormigón con juntas tiene muchas simplificaciones. En primer lugar, se supone que la losa está totalmente libre, lo cual no es rigurosamente cierto. Si hay una cierta restricción en una o más juntas, habrá un incremento en las tensiones del acero que pueden provocar fluencia o rotura. Tampoco se tiene en cuenta el efecto de corrosión de armaduras. Por último, el efecto de las cargas repetidas del tránsito no está considerado en la determinación de las armaduras longitudinales.

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD PARA ESPESORES DE LOSA - VI

En la Figura 9.25 se aprecia el efecto del coeficiente de transferencia de carga en el espesor de diseño. La variación es grande ya que incrementando J, de 2.4 a 4.4 se produce un incremento de espesor de losa de 87 mm. De aquí se deduce la importancia de implementar buenos mecanismos de transferencia de cargas y este coeficiente (a pesar de la poca guía de AASHTO), debe determinarse con precaución.

Figura 9.25. Sensibilidad con respecto al coeficiente de transferencia de carga

En la Figura 9.26 se muestra el efecto del coeficiente de drenaje sobre el espesor de la losa. Un incremento de Cd produce una disminución del espesor en forma casi lineal. Si Cd aumenta de 0.80 a 1.20 se produce una disminución de espesor de 58 mm. Como se ve la sensibilidad de esta variable es bastante importante, en este sentido, prever apropiados dispositivos de drenaje es crucial para el desempeño de pavimentos

Figura 9.26. Sensibilidad con respecto al coeficiente de drenaje

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD PARA ESPESORES DE LOSA - V

En la Figura 9.23 se ve el efecto de la confiabilidad sobre el espesor. Este varía mucho con R, si ésta es mayor del 90%. Un incremento de la confiabilidad entre el 50 y el 90% produce el mismo incremento de espesor de losa que variando la confiabilidad entre 90 y 99%.

Figura 9.23. Sensibilidad con respecto a la confiabilidad

En la Figura 9.24 se ve el efecto del desvío estándar de las variables sobre el espesor de la losa. El efecto es muy pequeño y lineal debido a la forma en que está introducido So en la fórmula de diseño.

Figura 9.24. Sensibilidad con respecto al desvío estándar

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD PARA ESPESORES DE LOSA - IV

En la Figura 9.21 se muestra el efecto del módulo elástico del hormigón sobre el espesor de la losa. Se observa que la sensibilidad es baja. En efecto, un incremento de Ec de 15 GPa a 40 GPa produce una variación del espesor de sólo 12 mm.

Figura 9.21. Sensibilidad con respecto al módulo elástico

Como hecho curioso, es de notar que el efecto del módulo de rotura y del módulo elástico son antagónicos sobre el espesor de la losa, lo cual aparentemente va contra nuestra intuición. Este fenómeno puede ser explicado por el hecho de que el módulo de rotura mide resistencia a la flexión y que el módulo elástico mide rigidez. Las losas más rígidas son más fuertes, pero más frágiles, y por lo tanto se fisurarán más pronto que una losa más elástica. Por este motivo es una variable que merece especial atención. En la Figura 9.22 se ve el efecto del módulo de reacción de la subrasante sobre el espesor de la losa. Un incremento de k de 30 a 110 KPa/mm produce una disminución del espesor de 17 mm, por lo que la sensibilidad es sumamente baja.

Figura 9.22. Sensibilidad con respecto al módulo de reacción de la subrasante

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD PARA ESPESORES DE LOSA - III

En la Figura 9.19 se muestra el efecto del cambio en la serviciabilidad. Un cambio en la serviciabilidad final de 1.0 a 3.0 produce un incremento del espesor de la losa de 36 mm.

Figura 9.19. Sensibilidad con respecto a la serviciabilidad final

En la Figura 9.20 se ve el efecto del módulo de rotura Sc' del hormigón. Este valor tiene un gran efecto en el espesor de la losa. Un incremento de 2.8 a 8.3 MPa (400 a 1200 psi) produce una disminución de espesor de 156 mm, por lo que es un valor que debe ser correctamente establecido para evitar un resultado que esté sobre o subdimensionado.

Figura 9.20. Sensibilidad con respecto al módulo de rotura

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD PARA ESPESORES DE LOSA - II

En la Figura 9.18 se muestra el efecto del tránsito sobre el espesor de la losa. Un incremento en ESALs de 2 a 30 millones produce un incremento en el espesor de 105 mm. Este incremento es más importante a bajos niveles de tránsito; de aquí se puede concluir que el efecto del tránsito es más pronunciado para bajos niveles de tránsito y secciones más delgadas.

Figura 9.18. Sensibilidad con respecto al tránsito

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD PARA ESPESORES DE LOSA - I

Para analizar la sensibilidad de las distintas variables que entran en el diseño de un pavimento de hormigón se consideran una serie de datos y se hace variar uno de ellos por vez manteniendo constantes los restantes. Esto se puede hace mediante el programa DIPAV. En la Figura. 9.17 se muestra la entrada de datos tal como aparece en pantalla.

Figura 9.17. Entrada de datos tal como aparecen en pantalla

Determinación de las dimensiones para el reservorio de juntas

Para determinar las dimensiones del reservorio para ubicación del material de sellado se requiere considerar los movimientos de apertura y cierre de la junta y tipo de material de sellado a usar. La apertura y cierre depende de la longitud de la losa, cambios de temperatura, coeficiente térmico del hormigón y la fricción entre losa y subbase. La apertura media en una junta es:

donde:

DL = apertura de junta por variaciones de temperatura y contracción por secado (pulg o mm)

a_C = coeficiente de contracción térmica del hormigón °F^-1 ó °C^-1

T = rango de temperatura (diferencia de temperatura en el momento de vaciado del hormigón y la mínima) (°F ó °C)

Z = retracción por secado del hormigón

L = espaciamiento entre juntas (pulg o mm)

C = factor de ajuste, función de la fricción entre losa y subbase. C = 0.80 para subbase granular no tratada. C = 0.65 para subbase estabilizada.

El ancho de junta requerido es:

donde:

W = ancho de junta de contracción

DL = apertura de junta causada por cambios de temperatura y contracción por secado del hormigón

S = deformación específica admisible del material de sellado. Para asfalto S = 0.25 mm/mm (25%) y para selladores de siliconas S = 0.50 mm/mm (50%).

Para selladores formados in situ, la profundidad del reservorio se determina en función del factor de forma deseado para la junta (relación ancho/profundidad). Este factor de forma depende de la naturaleza del sellador y varía entre 0.5 y 2.0, con un valor típico de 1.0 para selladores asfálticos y de 2.0 para selladores de silicona. Los selladores prefabricados se colocan en las juntas a presión y deben quedar comprimidos entre un 20 y un 50% de su ancho normal durante toda su vida. En este caso, las dimensiones del reservorio son aconsejadas por el fabricante.

Formación de juntas y dimensiones del reservorio

Profundidad inicial de la junta 

La profundidad de las juntas longitudinales y transversales debe ser tal que asegure que la fisura tendrá lugar en ese sitio. La profundidad de las mismas debe ser: Juntas transversales = 1/4 espesor de losa Juntas longitudinales = 1/3 espesor de losa Estas juntas pueden hacerse por aserrado, colocando moldes metálicos o plásticos o formando juntas. La manera más común de hacer la junta es por aserrado y es quizás la más efectiva. La parte crítica de este método es elegir bien el momento en que el mismo será ejecutado. Un aserrado ejecutado muy pronto puede provocar un desportillamiento del hormigón en las adyacencias de las juntas y un aserrado muy tardío producirá fisuras por la retracción del hormigón. Este tiempo es muy variable y depende de las condiciones de curado y de dosificación del hormigón.

Transferencia de cargas en juntas - IV

Cualquiera de estos dos parámetros define la eficiencia de una transferencia de cargas. Generalmente se recomiendan transferencias de carga en deflexiones del 75% o más, pero siempre teniendo en cuenta la magnitud de las deflexiones o tensiones. Por ejemplo un pavimento puede tener altos valores de LT, pero en esquinas sus losas pueden sufrir grandes deformaciones y tensiones que pueden llevar al bombeo de finos y posterior rotura. En el diseño, la diferencia de una transferencia de cargas está presente en la elección del valor J, pero su único efecto en el cálculo es incrementar o reducir el espesor de losa. Esto no es un fiel reflejo de la realidad dado que losas de gran espesor bajo condiciones de tránsito pesado pueden tener bombeo y fallas si no se colocan barras pasadoras. El mecanismo de trabazón entre agregados para juntas sin pasadores disminuye cuando la junta se abre. Si la abertura es mayor de 0.76 a 0.89 mm desaparece la trabazón entre agregados. Esto obliga a colocar juntas más próximas. 

Es recomendable colocar siempre barras pasadoras, dejando las juntas sin barras (trabajan por trabazón entre agregados) para caminos de bajo tránsito, pavimentos urbanos o en zonas de poca amplitud térmica. Las características de los pasadores no requieren de grandes cálculos. Las dimensiones recomendadas por AASHTO son: 

Diámetro de pasadores = 1/8 espesor de losa 

Longitud = 18 pulgadas (45 cm) 

Espaciamiento = 12 pulgadas (30 cm) 

Se recomienda embeberlas con pintura epóxica para prevenir la corrosión y posteriormente colocarles una capa muy delgada de grasa o aceite sucio para permitir su libre movimiento. Este antiadherente puede colocarse en la mitad de la barra o en toda la barra, recomendándose esta última opción para facilitar el deslizamiento de la barra. En caso de utilizar equipos de alto rendimiento con insertadores automáticos de barras, las barras deben llevar un barniz antiadherente y de ninguna manera grasa o aceite sucio.

Transferencia de cargas en juntas - III

Figura 9.15. Ilustración del concepto de transferencia de cargas

Es necesario tener en cuenta que LT es distinto a LT y en la Figura 9.16 se representa la relación entre ambas en base a resultados obtenidos mediante elementos finitos.

Figura 9.16. Relación entre LT_d y LT_s

Transferencia de cargas en juntas - II

La transferencia de cargas se puede definir usando deflexiones o tensiones en la junta. La transferencia de carga en deformaciones es:

donde:

LT_d = transferencia de cargas por deformaciones

d no cargada = deflexión de la losa adyacente no cargada

d cargada = deflexión de la losa cargada Una transferencia de cargas perfecta o del 100% se da cuando la losa no cargada tiene una deflexión igual a la de la losa cargada. Una transferencia de cargas nula se da cuando la losa no cargada no experimenta ninguna deflexión. En la Figura 9.15 se ilustran los dos casos extremos. La transferencia de cargas en tensiones es:

donde:

s no cargada = tensión en la losa no cargada

s cargada = tensión en la losa cargada

Transferencia de cargas en juntas - I

Las cargas de tránsito deben ser transmitidas de una manera eficiente de una losa a la siguiente a través de las juntas para minimizar las deflexiones en las mismas. Las deflexiones excesivas producen bombeo de la subbase y posteriormente fisuración. La transferencia de cargas en juntas se puede lograr mediante trabazón entre agregados o mediante dispositivos mecánicos llamados barras pasadoras o pasajuntas. Como se verá más adelante las barras pasajuntas se colocan en las juntas transversales que son las más solicitadas por el tráfico, sin embargo, la junta longitudinal también está sujeta al paso de camiones de un carril a otro y aunque en menor magnitud requiere de transferencia de cargas. Puesto que la junta longitudinal en el caso de carreteras cuenta con una barra de amarre, la misma no se separa lo que maximiza la interacción de agregados. Las barras de amarre son normalmente de 12 mm y también cooperan con la transferencia. Adicionalmente, en la Figura 9.14 se indican recomendaciones para juntas machihembradas, aunque esta práctica está perdiendo vigencia puesto que se debilita la sección de la losa y pueden producirse fisuras longitudinales por debilitamiento de la sección, por lo cual se prefiere el uso de juntas rectas con barras de amarre, las que se pueden obviar cuando se colocan cordones de acera.

Figura 9.14. Distintos tipos de juntas longitudinales machihembradas (recomendables par losas mayores a 25 cm de espesor)

Espaciamiento entre juntas al azar

También llamado "random spacing", consiste en colocar una serie de distintos espaciamientos que se repiten según un patrón determinado. Se lo hace para evitar la resonancia en vehículos cuando transitan a una determinada velocidad en una calzada con una separación constante entre juntas. Se lo recomienda para el caso en que la máxima separación entre juntas no excede de 4.6 m (15 pies). Es un aspecto poco utilizado y considera el uso de un patrón de distintas separaciones entre juntas, de acuerdo a investigaciones se mostró que los patrones del espaciamiento de la losa de 2.30 m o menos deben ser evitados (Guía de Diseño AASHTO, Parte 2, Capítulo 3 inciso 3.3.2.).

Juntas oblicuas (enviajadas)

Son juntas que se ubican a un cierto ángulo con respecto a la línea central. Se ubican en el sentido contrario a las agujas del reloj con respecto a la dirección del tránsito, de manera tal que el ángulo obtuso en el borde externo esté en la losa de adelante. El esviaje a adoptar es de 0.60 por carril, lo cual da un ángulo de 80º con la línea central. El objetivo de las juntas oblicuas es minimizar el efecto de fallas de juntas, ya que reciben alternadamente la carga de una u otra rueda y no las dos simultáneamente. De esta manera se logra mejorar la calidad del pavimento. (Figura 9.13) Es importante explicar que el ángulo de esviaje no debe ser muy grande para que no se produzcan fisuras cerca de las juntas y que esta solución no puede emplearse cuando se usan canastillos para barras pasajuntas puesto que las mismas deben ser paralelas al eje y construir un canastillo de esas características y colocarlo perfectamente alineado no es una tarea fácil, sin embargo existen algunos insertadores automáticos de barras montados sobre pavimentadoras deslizantes que permiten el colocado de barras enviajadas garantizando su correcta alineación. Únicamente en este caso sería recomendable esta solución con barras de transferencia, de lo contrario su uso quedaría restringido al caso de losas sin pasadores.

Figura 9.13. Juntas oblicuas o enviajadas

Las ventajas de las juntas oblicuas son:

·                Reducción de tensiones y deflexiones en juntas.

·                Menor reacción de impacto en los vehículos cuando cruzan las juntas.

Espaciamiento entre juntas - II

En la Figura 9.12 se muestran las recomendaciones de la PCA en cuanto a separación máxima en función del espesor de losa para distintas condiciones de soporte (subbase no estabilizada y subbase estabilizada). De acuerdo a esta figura, la separación entre juntas no debe exceder 6.1 m (20 pies). Sin embargo, este valor se considera demasiado grande. El IBCH recomienda no superar los 4.50 m, valor que debería usarse para losas mayores o iguales a 22 cm de espesor.

Figura 9.12. Espaciamiento máximo recomendado en función del espesor de losa y distintas condiciones de soporte (ACPA y PCA, 1990)

Para el caso de pavimentos de hormigón armado con juntas, el espaciamiento máximo puede ser de 9.1 m (30 pies). Sin embargo, este valor también resulta excesivo y se debería reducir.

Espaciamiento entre juntas - I

El espaciamiento entre juntas de contracción en pavimentos de hormigón simple depende de muchos factores como ser condiciones locales (materiales y medio ambiente). Tienen una gran importancia en el control de las fisuras transversales como se ve en la Figura 9.11.

Figura 9.11. Cantidad de fisuras transversales en función de la longitud de la losa, de acuerdo a estudios hechos en Minnesota y Michigan

La AASHTO recomienda que el espaciamiento entre juntas en pies no supere dos veces el espesor de la losa en pulgadas. Como 1 pie equivale a 12 pulgadas, el espaciamiento máximo debe ser 24 veces el espesor de la losa. Por otro lado, el espaciamiento no debe ser mayor que 1.25 veces el ancho de la losa. Siempre se debe usar el menor de ambos valores.

Tipos de juntas

Las juntas permiten la contracción y expansión del pavimento, lo cual libera de tensiones a la losa. Básicamente existen tres tipos de juntas: Juntas de contracción. Son las que se construyen para controlar las fisuras por liberación de tensiones debidas a temperatura, humedad y fricción. Juntas de expansión. Son las que permiten el movimiento del pavimento sin dañar las estructuras adyacentes (puentes y alcantarillas). Juntas de construcción. Son las que se colocan al final del día de trabajo o por otro tipo de interrupción en el hormigonado. Preferentemente deben coincidir con una junta de contracción.

DISEÑO DE JUNTAS

En el diseño de juntas está comprendida la determinación de espaciamiento de juntas longitudinales y transversales, transferencia de cargas, construcción de las juntas y materiales de sellado. Para el diseño geométrico de juntas, especialmente en pavimentos urbanos, recomendamos obtener el archivo electrónico respectivo de la página del IBCH www.ibch.com, en el cual se detalla ampliamente este tema.

Cálculo de barras de unión - IV

En la Figura 9.10 se muestra esquemáticamente cuál es la distancia al borde libre a tener en cuenta para usar los ábacos de las Figuras 9.9 y 9.10 o la tabla 9.14. "0" indica bordes libres, para juntas como la "1” la distancia a considerar es W1, mientras que para la junta "2" la distancia a considerar es la W2.

Figura 9.10. Distancia al borde libre para cálculo de barras de unión

Cálculo de barras de unión - III

Tabla 9.10. Espaciamiento máximo recomendado para barras de unión

Tamaño barras		Φ 12 mm
Acero		Grado 40					Grado 60
Dist. borde libre (m)		3.05	3.65	4.88	6.71	7.32	3.05	3.65	4.88	6.71	7.32
Dist. Losa mm	Tipo de junta
229	Machihembrada Junta a tope	0.94 0.66	0.79 0.56	0.58 0.41	0.43 0.3	0.41 0.28	1.42 1.02	1.88 0.86	0.89 0.64	0.64 0.46	0.58 0.41
254	Machihembrada Junta a tope	0.86 0.61	0.71 0.51	0.56 0.41	0.41 0.28	0.36 0.25	1.3 0.91	1.07 0.76	0.81 0.58	0.58 0.41	0.51 0.36
279	Machihembrada Junta a tope	0.79 0.56	0.64 0.46	0.51 0.36	0.38 0.28	0.33 0.23	1.19 0.86	0.97 0.69	0.74 0.53	0.53 0.38	0.48 0.36
305	Machihembrada Junta a tope	0.71 0.51	0.58 0.41	0.46 0.33	0.33 0.23	0.30 0.23	1.07 0.76	0.89 0.64	0.69 0.48	0.48 0.36	0.46 0.33

Tamaño barras		Φ 16 mm
Acero		Grado 40					Grado 60
Dist. borde libre (m)		3.05	3.65	4.88	6.71	7.32	3.05	3.65	4.88	6.71	7.32
Dist. Losa mm	Tipo de junta
229	Machihembrada Junta a tope	1.50 1.07	1.24 0.89	0.91 0.66	0.66 0.48	0.61 0.43	2.24 1.60	1.85 1.32	1.40 0.99	1.02 0.74	0.91 0.66
254	Machihembrada Junta a tope	1.35 0.97	1.12 0.79	0.84 0.61	0.61 0.43	0.56 0.41	2.01 1.42	1.68 1.19	1.24 0.89	0.91 0.66	0.81 0.58
279	Machihembrada Junta a tope	1.22 0.86	1.02 0.74	0.76 0.53	0.56 0.41	0.51 0.36	1.83 1.30	1.52 1.09	1.12 0.79	0.81 0.58	0.76 0.53
305	Machihembrada Junta a tope	1.12 0.79	0.91 0.66	0.71 0.51	0.51 0.36	0.46 0.33	1.68 1.19	1.40 0.99	1.04 0.74	0.76 0.53	0.71 0.51