Evolución de los procedimientos de diseño AASHTO: Pavimentos rígidos (II)

La ecuación de diseño fue modificada en 1962 usando la ecuación de tensiones en esquina de Spangler para tener en cuenta las propiedades de los materiales como ser la resistencia a la flexión del hormigón F, el módulo elástico E y el valor soporte de la subrasante k.
En 1972 se introdujo el factor de transferencia de cargas en juntas J, y se llega a la ecuación de diseño de 1972:

donde:

W₁₈ = número de aplicaciones de carga de 80 KN

Z_R = abscisa correspondiente a un área igual a la confiabilidad R en la curva de distribución normalizada (Ver cap. 6, ap. 6.2.3)

S_o = desviación estándar de las variables

D = espesor de la losa (pulg)

DPSI = pérdida de serviciabilidad de diseño

S'_c = módulo de rotura del hormigón (psi)

J = coeficiente de transferencia de carga

C_d = coeficiente de drenaje

E_c = módulo de elasticidad del hormigón (psi)

K = módulo de reacción de subrasante (pci)

Con las nuevas modificaciones las variables vienen expresadas en:

D = espesor de la losa (mm)

S'_c = módulo de rotura del hormigón (kPa)

E_c = módulo de elasticidad del hormigón (kPa)

K = módulo de reacción de subrasante (kPa/mm)

FIN

Evolución de los procedimientos de diseño AASHTO: Pavimentos rígidos (I)

Los datos del Road Test de la AASHO proporcionaron también relaciones empíricas entre el espesor de la losa de hormigón, magnitud de las cargas, tipos de ejes, número de aplicaciones de carga y pérdida de serviciabilidad para las condiciones específicas (materiales y ambientales) de este ensayo.

Evolución de los procedimientos de diseño AASHTO: Pavimentos flexibles (IV)

Con motivo de la implementación del programa DARWin 3.0 aparece una nueva modificación en el diseño de pavimentos flexibles al permitir dicho programa el cálculo en unidades inglesas o métricas. La modificación aparece en el número estructural, que deja de ser un adimensional para convertirse en un parámetro con unidades de longitud, que representa un espesor ficticio del pavimento. En unidades inglesas viene expresado en pulgadas y conserva el valor numérico obtenido mediante la expresión 1.6. En el sistema métrico viene expresado en mm y su valor es igual a SN (en pulgadas) multiplicado por 25.4. Este mismo esquema ha sido utilizado por el Instituto Boliviano del Cemento y el Hormigón para implementar el software “DIPAV – IBCH”, el mismo que utiliza unidades métricas, pero a manera de información despliega también el número estructural en pulgadas.

Evolución de los procedimientos de diseño AASHTO: Pavimentos flexibles (III)

En el año 1986 se presentaron muchas innovaciones. Aparece el concepto de “Nivel de Confianza” o confiabilidad, que permite al proyectista diseñar un pavimento con un nivel apropiado de riesgo. El factor de confiabilidad de diseño FR permite tener en cuenta variaciones tanto en la predicción del tránsito como en el comportamiento del pavimento.
Se introduce el módulo resiliente que reemplaza al CBR como dato de entrada. Esto permite una mejor definición de las propiedades resistentes de los materiales. Puede aplicarse también a materiales estabilizados.
Las condiciones de drenaje están tomadas en cuenta con los coeficientes de drenaje mi. Estos son función de la calidad del drenaje y del porcentaje de tiempo que la estructura estará sometida a niveles de humedad próximos a la saturación. Este coeficiente se aplica a las capas no estabilizadas.
También se prevé el efecto de hinchamiento por subrasantes expansivas y el efecto de hinchamiento por congelación.
La ecuación de diseño es ahora:

Evolución de los procedimientos de diseño AASHTO: Pavimentos flexibles (II)

Se hicieron versiones provisorias de la guía AASHTO que fueron publicadas en 1972 y 1981, aunque en 1981 no hubo cambios en este rubro con respecto a 1972.
La ecuación de diseño de la guía AASHTO 72 era:

Evolución de los procedimientos de diseño AASHTO: Pavimentos flexibles (I)

Los datos del AASHTO Road Test daban relaciones empíricas entre el espesor del concreto asfáltico, magnitud de cargas, tipo de ejes, número de aplicaciones de cargas y pérdida de serviciabilidad para un pavimento en las condiciones de dicho ensayo. La ecuación que servía de diseño era:

W=número de aplicaciones de carga para llegar a la serviciabilidad final.
G=una función, el logaritmo, de la relación de pérdida de serviciabilidad en el tiempo t a la pérdida potencial a una serviciabilidad 1.5.
=una función de diseño y variables de carga que tienen influencia en la forma de la curva p W (p=serviciabilidad).
ρ=una función de diseño y variables de carga que denotan el número esperado de aplicaciones de carga para llegar a una serviciabilidad 1.5.

Condiciones especificas para el Road Test de AASHO (II)

Se construyeron pistas entre 1956 y 1958. La construcción fue de excelente calidad. Hay 6 pistas, 4 grandes y 2 pequeñas. Las grandes son las 3, 4, 5 y 6, y las pequeñas la 1 y la 2. Cada pista tenía un tramo recto de cuatro carriles divididas al centro con curvas de retorno en los extremos. Los tramos rectos tenían una longitud de 2073 m para las pistas grandes (3 a 6), 1341 m para la 2 y 610 m para la pista 1. La pista 1 fue sometida a cargas estáticas y efectos del clima y las pistas 2 a 6 fueron solicitadas con cargas dinámicas que van aumentando de una pista a otra. En todas las pistas, los tramos rectos al Norte y las curvas de retorno al Este eran de concreto asfáltico, mientras que los tramos rectos al Sur y las curvas de retorno al Oeste eran de hormigón.
Las variables para este estudio eran: espesor de pavimento, magnitud de cargas y efectos ambientales. Las secciones de pavimentos eran variables, con tramos de transición entre ellas. La longitud mínima de sección era de 30 m.
La capa de concreto asfáltico usada consistía en una mezcla de piedra caliza partida densa y bien graduada con un 5.4% de cemento asfáltico de grado de penetración 85 100. El espesor de esta capa oscilaba entre 25 y 152 mm (1 a 6 pulg). Se usaron cuatro tipos de base: piedra partida caliza, grava bien graduada, grava tratada con cemento y grava tratada con asfalto. El espesor de la base variaba de 0 a 229 mm (0 a 9 pulg). El pavimento de hormigón estaba hecho con aire intencionalmente incorporado y contenía 335 Kg de cemento por m3 de hormigón, grava y arena natural.
La subbase del pavimento flexible y rígido era una mezcla densa de grava y arena con un porcentaje apreciable de finos (PT N1200 = 6.5%). Los espesores variaban de 0 a 406 mm (0 a 16 pulg) para los pavimentos flexibles y de 0 a 229 mm (0 a 9 pulg) para pavimentos rígidos.
El tránsito que circuló por estas pistas consistía en cargas de ejes simples que variaban entre 9 y 133 KN (2 a 30 kips) y cargas de ejes tándem que variaban entre 107 y 214 KN (24 a 48 kips). Se aplicaron 1.14x107 cargas por eje en cada sección, lo que daba un equivalente de 10 millones de pasadas de ejes de 80 KN (18 kips) en la pista más cargada.

Condiciones especificas para el Road Test de AASHO

Las condiciones climáticas de la zona son:

• Lluvia anual: 762 mm

• Diferencia entre precipitación y evaporación: 102 mm
• Indice de Thornthwaite: 30 1
• Profundidad de penetración del hielo: 762 mm
• Ciclos de congelación y deshielo: 12 por año a nivel de subbase
• Temperatura media en verano: 24 ºC
• Temperatura media en invierno: 30 ºC

Características de la subrasante:

• Suelo tipo A 6
• CBR=2 a 4%
• Módulo de reacción k= 12 KPa/mm = 45 pci= 1.2 Kg/cm3 (medido en primavera, luego del deshielo inicial)
• Profundidad de roca madre (bed rock)= 3.0 a 9.1 m de la superficie. Esta varía desde arenisca en el extremo occidental de la zona a caliza esquistosa en el extremo Este.

Objetivos del Road Test de la AASHO

Los objetivos eran:

1. Determinar la relación entre el número de repeticiones de cargas por eje de diferente magnitud y configuración y el espesor necesario de pavimento (rígido o flexible) que apoya en diferentes bases y subbases para una subrasante de características conocidas.
2. Determinar los efectos significativos de vehículos de distinto peso cuando se aplican solicitaciones de distinta frecuencia a los puentes. Los puentes analizados eran vigas I de acero, de hormigón armado y de hormigón pretensado.
3. Realizar estudios especiales sobre bermas pavimentadas, tipos de base, fatiga del pavimento, dimensiones y presión de neumáticos y vehículos militares pesados y correlacionar los resultados de estos estudios especiales con los de la investigación básica.
4. Proveer registro de los esfuerzos y materiales requeridos para mantener cada sección de ensayo en condiciones satisfactorias hasta que sea descontinuado por el ensayo.
5. Desarrollar instrumentos, procedimientos de ensayos, datos, tablas, gráficos y fórmulas que reflejen la capacidad de las distintas secciones ensayadas y que serán muy valiosas en el diseño de futuras carreteras y en la evaluación de la calidad de calzadas existentes.

Métodos de diseño basados en ensayos de carreteras: Extensiones del Road Test de la AASHO

Fue el ensayo más completo realizado hasta el momento, pero adolecía de ciertos defectos como ser: un solo tipo de condiciones ambientales, el mismo tipo de subrasante y materiales para pavimentos del norte de Illinois. Como paso siguiente se debería considerar diferentes condiciones y materiales. Los componentes del proceso de diseño que requerían verificación local eran:

• Clima
• Subrasante
• Tráfico
• Materiales de Pavimentación
• Otras Características de diseño

Se debían realizar estudios complementarios “satélite” en otras regiones de EEUU, con diferentes materiales y condiciones ambientales, pero lamentablemente nunca se llevaron a cabo, dejando al método de diseño AASHTO con estas limitaciones:

• Verificación
• Base de datos estadística inadecuada
• Definiciones no reales de falla

Una evaluación mayor del procedimiento de diseño se realizó en 1972. Los principios básicos establecidos y validados en el AASHTO Road Test todavía sirven de base para un notable número de procedimientos de diseño basados en el reempeño actualmente en uso dentro y fuera de EEUU.



Figura 1.2. Registros de serviciabilidad típicos a partir del AASHO Road Test (HRB 1962)

Métodos de diseño basados en ensayos de carreteras: Road Test de la AASHO

Fue el último de los grandes ensayos a escala natural de carreteras realizados en EEUU. Se efectuó entre 1958 y 1960 cerca de Ottawa, Illinois. Se eligió esta zona por poseer características de suelos uniformes, típicos de gran parte de EEUU y el clima es típico del Norte de dicho país. Además los trabajos de construcción se incorporarían en la ruta interestatal 80.
Este ensayo introdujo el concepto de serviciabilidad en el diseño de pavimentos. La serviciabilidad es una medida de la capacidad del pavimento para brindar una superficie lisa y suave al usuario. Este parámetro varía entre 0 (pavimento intransitable) a 5 (pavimento perfecto). Durante los dos años que duró el experimento, se registró la serviciabilidad de cada sección de pavimento según la calificaban los conductores de camiones del ensayo cada dos semanas. Así se registró el índice de serviciabilidad presente o actual, PSI (present serviceability index) y se graficó en función del tiempo tal como muestra la Figura 1.2 para pavimentos rígidos y flexibles. En base a datos de este tipo se dedujeron las ecuaciones de diseño.

Métodos de diseño basados en ensayos de carreteras: Road Test de la WASHO

Road Test de la WASHO
Fue realizado entre 1953 y 1954 por la Western Association of State Highway Officials (WASHO) en la ruta existente cerca de Malad, Idaho. Se hicieron dos pistas de 580 m en tramo recto cada una, en las cuales había 5 secciones de ensayos de 92 m de largo separados por tramos en transición de 30 m. Las cargas por eje usadas fueron: 80 KN (simple), 100 KN (simple), 142 KN (tándem) y 178 KN (tándem). Los espesores de pavimentos oscilaban entre 152 y 559 mm (6 a 22 pulg). Las conclusiones fueron:

• El daño en el pavimento se incrementaba en el siguiente orden: 80 KN (simple), 142 KN (tándem), 100 KN (simple) y 178 KN (tándem).
• El comportamiento del pavimento con 10 cm (4 pulg) de concreto asfáltico fue muy superior a uno de igual espesor, pero con 5 cm (2 pulg) de concreto asfáltico.
• De acuerdo a las fallas producidas al pavimento, un eje tándem con una carga aproximadamente 1.5 veces mayor que la carga de un eje simple es equivalente a ese eje simple. La equivalencia entre ejes simples y tándem en lo concerniente a deformaciones esta alrededor de 1.8 veces.

Métodos de diseño basados en ensayos de carreteras: . Road Test de Maryland

Road Test de Maryland
Realizado en 1950 con 1.8 Km de longitud de un pavimento rígido existente cerca de La Plata, Maryland. El ensayo consistía en estudiar una sección transversal de espesor variable (9 7 9 pulg o 22.9 17.8 22.9 cm) con juntas de contracción cada 12.2 m y juntas de expansión cada 36.6 m. La losa se armó con malla de acero y se usaron pasadores de 19 mm de diámetro en correspondencia con las juntas transversales.
El objetivo de este ensayo fue determinar los efectos relativos de cuatro distintas cargas por eje usando dos vehículos tipo. Las cargas eran de 80 KN (simple), 100 KN (simple), 142 KN (tándem) y 200 KN (tándem). Estas eran las cargas previstas en la red vial. Los resultados de los ensayos fueron los siguientes:

• La fisuración y asentamiento de la losa en las juntas se incrementaba de acuerdo a las cargas en este orden: 80 KN (simple), 142 KN (tándem), 100 KN (simple), 200 KN (tándem).
• Cuando se presentaban subrasantes plásticas se observaba bombeo de finos, pero esto no ocurría cuando la subrasante era granular con muy pequeños porcentajes de limo y arcilla.
• La equivalencia entre ejes tándem y ejes simples dependía de la ubicación transversal de la carga.
• Las tensiones y deflexiones causadas por cargas actuando en las esquinas y bordes estaban influenciadas por el alabeo térmico.

Métodos de diseño basados en ensayos de carreteras: Road Test de Bates

En los años 20 los ingenieros comenzaron a reconocer que las cargas de tránsito y su distribución por ejes eran factores fundamentales en el diseño de pavimentos. Así la División de Carreteras de Illinois realizó el Bates Experimental Road Test entre 1922 y 1923. Este ensayo fue realizado en una vía de 4 Km de largo cerca de Springfleld, Illinois. La que fue dividida en distintos sectores y se usaron diferentes materiales: ladrillos, concreto asfáltico y hormigón. Este ensayo corroboró la suposición de que el diseño de pavimentos debe estar relacionado a las cargas por eje.

DESARROLLO HISTÓRICO DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS: Métodos basados en la resistencia (II)

Métodos basados en ensayos de carga deformación
Este método de diseño supone que el comportamiento del pavimento es función de las características de carga deformaciones de la subrasante. Para medir esta característica se usa el ensayo de placa o plato de carga en el cual la subrasante es cargada a través de una serie de placas rígidas de 300 a 750 mm de diámetro y se mide la deflexión de la placa. El espesor de diseño está basado en una correlación entre la deflexión de la placa y el comportamiento del pavimento.

Métodos basados en ensayos triaxiales
Se coloca la muestra de material dentro de una cámara triaxial, se le aplica una presión de confinamiento que simula las condiciones imperantes en el cuerpo del pavimento y se la carga verticalmente hasta la rotura. Estas tensiones de rotura se relacionan con los espesores de pavimentos necesarios para proteger la subrasante y de base para proteger la subbase.

DESARROLLO HISTÓRICO DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS: Métodos basados en la resistencia (I)

Estos métodos usan las propiedades de resistencia o de relaciones carga deformación de los suelos de subrasante como un indicador relativo de la calidad de los materiales. Se detallan los siguientes:

Método del Valor Soporte California (CBR)
Este método usa las características de carga deformación de la subrasante, subbase y base y en forma empírica los relaciona con los espesores totales del pavimento, capa de rodadura, base y capas subyacentes. El CBR es la relación existente entre una carga que produce una deformación de 0.1 pulg (2.5 mm) en el material en cuestión y la carga que produce esa misma deformación en una muestra patrón que es un material granular de excelente calidad que se asume como 100%.

Método del Valor R de Hveem
Se basa en el ensayo del estabilómetro de Hveem que mide las presiones horizontales desarrolladas en un material granular por efecto de la aplicación de una carga vertical. A mayor resistencia a la presión vertical, mejor será la calidad del material. El espesor de un paquete estructural es función del valor R de la subrasante, a menor R, mayor espesor.

DESARROLLO HISTÓRICO DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS: Métodos basados en la Mecánica de Suelos

Muchos de estos métodos estaban basados en principios geotécnicos. El concepto era proteger la subrasante de tensiones excesivas colocando un espesor suficiente de materiales por encima de ésta.

Método del Índice de Grupo
Se basa en el concepto del Índice de Grupo. Propiedad de suelos que aumenta a medida que disminuye su calidad, por lo tanto a subrasantes de alto Índice de Grupo le corresponderán grandes espesores de pavimentos. Este método no era muy sofisticado en cuanto a la selección de materiales o diseño de espesores y únicamente tomaba en cuenta el número de vehículos pesados diarios.

Métodos edafológicos
Están basados en la clasificación de la formación de suelos y el principio de que suelos del mismo origen y con condiciones climáticas similares tendrán propiedades ingenieriles similares. La filosofía de diseño era similar al método del índice de grupo.

DESARROLLO HISTÓRICO DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS: Métodos previos a los ensayos de carreteras

Los primeros métodos de diseño de pavimentos se remontan a tiempos anteriores a la década de 1920. En esa época, los diseños se hacían en base a la experiencia y al sentido común del proyectista. En algunos casos los resultados eran buenos, pero cuando se extrapolaban a zonas de diferente tipo de suelo, distinta composición de tránsito y distinto clima, los resultados eran dudosos, y la posibilidad de sobre dimensionar o sub dimensionar el pavimento eran muy grandes.

CLASIFICACIÓN DE PAVIMENTOS

Los pavimentos pueden dividirse en rígidos y flexibles. Las cargas que transmiten a la fundación son muy diferentes como se muestra a continuación:



En un pavimento rígido, debido a la rigidez de la losa de hormigón se produce una buena distribución de las cargas de las ruedas de los vehículos, dando como resultado tensiones muy bajas en la subrasante. En un pavimento flexible, el concreto asfáltico, al tener menor rigidez, se deforma y transmite tensiones mayores en la subrasante.
Debido a la rigidez y alto módulo de elasticidad del hormigón, los pavimentos rígidos basan su capacidad portante en la losa de hormigón más que en la capacidad de la subrasante. Los pavimentos rígidos pueden dividirse en tres tipos:
• Hormigón simple con juntas.
• Hormigón armado con juntas.
• Hormigón armado con refuerzo continuo.
El pavimento de hormigón simple no contiene armadura en la losa y el espaciamiento entre juntas es pequeño entre 2.50 a 5 metros. Las juntas pueden o no tener dispositivos de transferencia de cargas.
Los pavimentos de hormigón armado con juntas tienen espaciamientos mayores entre juntas entre 5 a 12 metros y llevan armadura distribuida en la losa a los efectos de controlar y mantener cerradas las fisuras de contracción. Este tipo de pavimentos se cubrirán con mayor detalle en el capítulo correspondiente.
Los pavimentos de hormigón armado continuo tienen armadura continua longitudinal y no tienen juntas transversales, excepto juntas de construcción. La armadura transversal es opcional en este caso. Estos pavimentos tienen más armadura que los de hormigón armado con juntas y el objetivo de esta armadura es mantener un espaciamiento adecuado entre fisuras y que éstas permanezcan cerradas.
Los pavimentos flexibles se caracterizan por ser sistemas multicapa con las capas de mejor calidad cerca de la superficie donde las tensiones son mayores. La capa superior es de concreto asfáltico. Un pavimento flexible trabaja distribuyendo la carga hasta que llegue a un nivel aceptable para la subrasante. Por debajo de la capa de concreto asfáltico se coloca una base que puede ser de piedra partida, grava bien graduada o materiales estabilizados (con cemento, cal o asfalto). Por debajo de esta base se coloca una capa de menor calidad denominada subbase.