15.00 diseño de recapeos asshto
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CALCULO DE RECAPEOMETODO AASHTO 93
07PAVIMENTOS
Ing. Augusto García
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INTRODUCCIÓN
Los métodos de rehabilitación de pavimentospor colocación de una sobrecapa o recapeosobre la estructura existente son muy variados,en función del tipo y deterioro de la estructura ysuperficie existente y se tienen los siguientescasos. AC sobre pavimento AC
AC sobre pavimento fracturado de PCC
AC sobre JPCP, JRCP o CRCP
AC sobre AC/JPCP, AC/JRCP o AC/CRCP
PCC con pasadores sobre pavimento PCC
PCC sin pasadores sobre pavimento PCC
PCC sobre pavimento de AC
INTRODUCCIÓN
La versión de recapeos de la AASHTO 1986 tenia muchas contradicciones y problemas
Es por eso que la AASHTO la reformulo y modifico para la guía de 1993
Las siguientes abreviaturas fueron establecidas en esta guía: AC = concreto asfaltico (también se le llama HMA)
PCC = concreto de cemento Portland
JPCP = pavimento de concreto simplemente unido
JRCP = pavimento de concreto con uniones reforzadas
CRCP = pavimento de concreto con refuerzo continuo
AC/PCC = concreto de cemento Portland con recapeo de asfalto
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Conceptos de diseño
Un proyecto de recapeo puede incluir
secciones con longitudes de unos cuantos
metros a varios kilómetros
Una pregunta crucial a preguntarse es como
se va a dividir el proyecto, ya que esto
determinara el espesor del recapeo para
cada sección
Dos conceptos a explicar:
Diseño de Recapeo del Proyecto
Deficiencia Estructural
Diseño de Recapeo del proyecto
Dos métodos utilizados, a ser seleccionados en
base a las condiciones especificas del proyecto.
Método de la Sección Uniforme
Método Punto por Punto
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Método de sección uniforme
El proyecto se divide en secciones de
características relativamente uniformes
Cada sección es considerada y diseñada de
manera independiente y luego el promedio de
todas las secciones se obtiene
La división de secciones se puede hacer
Según records históricos de comportamiento (preferido)
Según relevamientos de fallas(no siempre suficientes) y
estructurales no destructivos:
○ Ensayos de deflexión
○ Condición de pavimento
○ Serviceabilidad
Método de punto por punto
En vez de trabajar en secciones, se diseñan
recapeos para ciertos puntos con una frecuencia
determinada (por ejemplo, cada 300 pies o 10o
metros).
Toda la información se consigue en ese punto, y se
realiza el calculo de rediseño.
Se consiguen diseños por punto y se saca un
promedio a un cierto nivel de confiabilidad.
Puntos que requieren recapeos mucho mayores al
promedio deberían ser evaluados en campo,
porque de repente requieren reparaciones
extensivas o reconstrucciones
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El recapeo tiene como objetivo el corregir la
deficiencia estructural e incrementar su
habilidad de soportar cargas por un tiempo
determinado Se observa el
descenso de la
serviceabilidad con el
numero de
aplicaciones N
La serviceabilidad se
puede reemplazar por
la capacidad
estructural
Deficiencia Estructural
Para pavimentos flexibles, SC es el numero estructural SN
Para pavimentos rígidos, SC es el espesor del pavimento D
Para pavimentos compuestos, SC es un espesor equivalente
El pavimento tiene un SCo
inicial que se deteriora y
llega a un SCeff después
de N repeticiones
Se requiere proveer una
capacidad estructural
adicional SCOL, provisto
por el recapeo
Deficiencia Estructural
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Deficiencia Estructural
La suma de este SCOL con el existente SCeff es equivalente a la
capacidad estructural Sf para el nuevo pavimento diseñado con el
modulo existente y para el trafico proyectado a resistir por el recapeo.
La ecuación básica
para rediseño es la
mostrada
La AASHTO 93
recomienda:
n = 2, recapeos
de concreto en
concreto sin
unión
n = 1 para todos
los otros
pavimentos
Determinación del SCeff
La parte mas complicada de diseñar un recapeo
es el determinar la SCEFF
Se usan tres alternativas:
A. Relevamiento de condición visual y ensayo de
materiales
B. Ensayos de deflexión no destructivos
C. Vida remanente del daño por fatiga por el trafico.
Los métodos no proveen resultados equivalentes,
así que se recomienda realizar los tres (mientras
se pueda) y decidir en base a experiencia el valor
apropiado.
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Relevamiento Visual
Incluye la revisión de toda la información relevante
(diseño, construcción e historia de mantenimiento)
Relevamiento detallado identificando las fallas
existentes, ubicación, tamaño y severidad.
También se debe levantar la información acerca del
drenaje y los problemas y ubicaciones donde se
pueden mejorar estas condiciones
A. Relevamiento visual y ensayo de materiales
Ensayo de Materiales
Diamantinas y otros ensayos que verifiquen / identifiquen
la causa de las fallas levantadas
Si se realizan NDT, estos ensayos apoyan las
conclusiones de los NDT
También sirve para determinar el espesor/condición de la
vía
Las diamantinas también sirven para determinar las
condiciones de los materiales existentes y compararlos
con lo que se propone poner
También sirve para ver cuan deteriorados han acabado los
materiales y si estos funcionaron como se esperaba
A. Relevamiento visual y ensayo de materiales
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Ensayo de Materiales - Ensayos típicos:
Granulometrías para identificar degradación y
contaminación de materiales granulares por finos
(en AC y PCC)
Ensayos de extracción para determinar los
contenidos de ligante y granulometría de la mezcla
asfáltica (en AC)
Determinar problemas de durabilidad del concreto
(en PCC)
A. Relevamiento visual y ensayo de materiales
Para determinar el SNeff para pavimentos flexibles
se usa la siguiente ecuación:
Los valores de m2 y m3 son idénticos a los usados
en diseño de pavimentos flexibles
Dependiendo de las condiciones del pavimento, los
valores de “a” deberían ser menores que los
asignados a pavimentos nuevos.
Valores recomendados en la tabla siguiente:
A. Relevamiento visual y ensayo de materiales
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A. RELEVAMIENTO VISUAL Y ENSAYO
DE MATERIALES Para determinar el Deff para pavimentos rígidos se usa la
siguiente ecuación:
Donde:
Fjc = Factor de ajuste por juntas y grietas
Fdur = Factor de ajuste por durabilidad
Ffat = Factor de ajuste por daño de fatiga
El Fjc se puede determinar dependiendo del numero de
juntas transversales deteriorados y las grietas por milla (o
por km) siguiendo la grafica de la siguiente diapositiva
A. Relevamiento visual y ensayo de materiales
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A. Relevamiento visual y ensayo de materiales
Se recomienda que todas las juntas dañadas y las grietas
y cualquier otra discontinuidad en la losa existente sean
reparados en toda su profundidad antes del recapeo, así
se haría que Fjc = 1
El factor Fdur se aplica cuando hay problemas de
durabilidad o se observan agregados con problemas de
reacción. Valores recomendados de Fdur a continuación:
A. Relevamiento visual y ensayo de materiales
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A. Relevamiento visual y ensayo de materiales
Los factores de
ajuste por daño por
fatiga se determinan
en base a la
extensión de
agrietamiento
transversal (JPCP,
JRCP) y de roturas
(CRCP) que son
causadas
principalmente por
cargas repetidas.
Los ensayos no destructivos (NDT) son
diferentes entre pavimentos flexibles y los rígidos.
Para los flexibles, los NDT son usados para
estimar el modulo resiliente de la base granular y
proveer una estimación directa del valor SNeff
Para los rígidos, los NDT se usan para examinar
la eficiencia en la transferencia de carga en las
juntas y en las grietas, determinar los valores “k”
de la subrasante y E del concreto.
B. Ensayos no destructivos
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Pavimentos Flexibles
Se puede determinar el modulo de la subrasante utilizando
los métodos explicados en la clase anterior sobre NDTs
B. Ensayos no destructivos Pavimentos Flexibles
De manera simplificada, usando la ecuación de Boussinesq se puede decir:
dr = P (1 – υ2) / (π r MR)
Donde:
dr = deflexión de la superficie a una distancia r de la carga
P = carga puntual
υ = modulo de Poisson
r = distancia a la carga
MR = modulo resiliente
Si se asume que υ = 0.5, entoncesMR = (0.24 . P) / (dr . r)
B. Ensayos no destructivos
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Pavimentos Flexibles
De manera empírica, AASHTO recomienda corregir la
ecuación anterior con un coeficiente C = 0.33 o menor
para uso posterior en el método. Entonces la ecuación
se reescribe como:
MR = C (0.24 . P) / (dr . r)
Para poder calcular el valor del modulo de la
subrasante, es necesario colocar el 5to sensor (grafica
anterior) lo suficientemente lejos como para que no
afecte el HMA ni la base, pero tampoco no muy lejos
como para que no se perciba deflexión alguna.
B. Ensayos no destructivos La siguiente ecuación se usa para determinar el “r”
necesario
Donde: a = radio del plato de carga
D = espesor total encima de la subrasante
Ep = modulo efectivo de todas las capas
Ep se calcula con la siguiente ecuación (grafica también):
Donde d0 = deflexión medida debajo del plato de carga
B. Ensayos no destructivos
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La ecuación anterior se puede resolver mediante
métodos iterativos y/o hojas de calculo
Si a = 5.9 pulgadas (15 cm), AASHTO provee
una figura (mostrada en la siguiente diapositiva)
B. Ensayos no destructivos B. Ensayos no destructivos
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Las graficas siguientes sirven para determinar:
Factor de ajuste por temperatura para base
granulares o tratadas con asfalto (Figura 3.18)
Factor de ajuste para bases tratadas con cemento o
puzolanicos (Figura 3.19)
que se tiene que aplicar al valor de d0 en el
proceso de calculo
B. Ensayos no destructivos
Base Granular o Base
Tratada con Asfalto
B. Ensayos no destructivos
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Base Tratada con Cemento o
Puzolanico
B. Ensayos no destructivos
Una vez que se determina el valor de Ep, se
puede calcular el valor de SNeff, por la siguiente
ecuación
B. Ensayos no destructivos
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dr = P (1 – υ2) / (π r MR)
MR = (0.24 . P) / (dr . r)
La ecuación se puede resolver mediante
métodos iterativos y/o hojas de calculo
Si a = 5.9 pulgadas (15 cm), AASHTO
provee una figura (mostrada en la
siguiente diapositiva)
dr = deflexión de la superficie a una distancia r de la carga
B. Ensayos no destructivos
Se realiza un NDT en un pavimento flexible con un plato de
5.9 in (15 cm). El espesor del AC es de 4.25 in (10.8 cm) y la
base granular es de 8 in (20.3 cm).
La temperatura del AC en el momento del ensayo es de 80F
La carga total aplicada es de 9000 lb (40 kN)
La deflexión en el centro del plato es igual a 0.0139 in (13.9
mil o 0.35 mm)
La deflexión a 36 in (91 cm) del centro del plato es igual a
0.00355 in (0.09 mm)
Calcular MR y SNeff
B. Ensayos no destructivos
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Usando la ecuación:
MR = C (0.24 . P) / (dr . r) y C = 0.33
Entonces:
MR = 0.33 (0.24 . 9000) / (0.00355 . 36)
MR = 5580 psi (38.5 MPa) a usarse en AASHTO
Usando C = 1.00
MR = 16900 psi
d0 = 0.0139 que tiene que ser ajustado
B. Ensayos no destructivos B. Ensayos no destructivos
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Usando la ecuación:
MR = 16,900 psi
d0 = 0.0139 que tiene que ser ajustado
Factor de ajuste = 0.92
d0 = 0.0139 x 0.92 = 0.0128 in (0.33 mm)
0.001 in = 1 mil
0.0128 in = 12.8 mils
Para usar la grafica siguiente, se tiene que calcular el valor
(MR d0) / P = (16900 x 12.8) / 9000 = 24.0
D = 4.25 + 8 = 12.25 in
B. Ensayos no destructivos
Ep / MR = 8.5
Ep = 8.5 x 16,900
Ep = 143,650 psi
SNeff = 0.045 x 12.25 x 1436500.33 = 2.88 que será usado en el diseño de recapeo
B. Ensayos no destructivos
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Y calculando r con la ecuación
con los valores calculados se tiene
r = 0.7 x { (5.92) + [12.25 x (8.5)0.33]2}0.5 = 17.98 in
Que esta bien por debajo de la distancia de 36” en la cual se
coloco el 5to geófono para determinar el modulo de la
subrasante
B. Ensayos no destructivos
Pavimentos Rígidos Para poder calcular la eficiencia en la transferencia en las juntas y
grietas, se coloca el plato en un lado de la junta/grieta teniendo el borde
del mismo tangente a la junta/grieta
Las deflexiones, una en el centro y otra a 12 pulgadas en el otro lado de
la junta/grieta, se miden y la eficiencia de transferencia se mide como:
ΔLT = 100B (Δul / Δt)
Donde:
ΔLT = Transferencia de carga en porcentaje
Δul = Deflexión en el lado NO cargado
Δt = Deflexión en el lado cargado
B = Factor de corrección por flexión de losa (valores típico de 1.05
a 1.15 son usados y se calculan ensayando en la mitad de la
losa)
B. Ensayos no destructivos
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Pavimentos RígidosΔLT > 70, J = 3.2
50 < ΔLT < 70, J = 3.5
ΔLT < 50, J = 4.0
Para calcular el valor de “k” y el de Ec, se puede usar las figuras mostradas a continuación con la siguiente ecuación
Donde:
d0, d12, d24, d36 = deflexiones medidas a 0, 12, 24 y 36 in del centro del plato de carga
AREA = en pulgadas y es el área de la base de deflexión
B. Ensayos no destructivos B. Ensayos no destructivos
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B. Ensayos no destructivos
Pavimentos Rígidos - EjemploSe realizo un ensayo con un FWD en un pavimento de concreto de 10”.
El plato de carga es de 5.9 in y la carga fue de 7792 lb. Los sensores
están ubicados a 0, 12, 24 y 36 in.
Las mediciones respectivas fueron 0.0030, 0.0028, 0.0024 y 0.0021 in.
Si el coeficiente de Poisson del concreto se asume como 0.15
Calcular k y Ec
Solucion:
AREA = 6 [1 + 2(0.0028 / 0.0030) + 2 (0.0024 / 0.0030) + (0.0021 /
0.0030) ] = 30.996
B. Ensayos no destructivos
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k = 210
B. Ensayos no destructivos
EcD3 = 6 x 109
Si D = 10 in
Ec = 6 x 106
B. Ensayos no destructivos
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Pavimentos Rígidos
k del NDT es el k dinamico
k estatico = k dinamico / 2
B. Ensayos no destructivos
La vida remanente (RL) se calcula (al 50% de confiabilidad) de la
siguiente manera:
RL = 100 ( 1 – Np / N1.5)
Donde:
Np = trafico que ha sobrellevado el pavimento al dia de hoy
N1.5 = trafico que se espera que el pavimento sobrelleve hasta llegar a
fallar (PSI = 1.5)
Con RL conocido, se puede calcular una factor de condición CF de la
figura de la diapositiva siguiente y con eso se puede calcular
SCeff = CF x SCo
C. vida remanente después de daño de fatiga por trafico
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C. vida remanente después de daño de fatiga por trafico
Ejemplo:
Un pavimento de concreto de 10 in con un PSI inicial de 4.5
ha estado sujeto a 14.5 millones de 18-kip ESAL antes de
ser recapeado.
Si k = 72 pci, Ec = 5 x 106 psi, Sc = 650, J = 3.2, y Cd = 1.0
Determinar la capacidad estructural efectiva SCeff del
pavimento siguiendo el método de la vida remanente
C. vida remanente después de daño de fatiga por trafico
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Ejemplo:
Np = 14,500,000
N1.5 = ??
Se calcula el N1.5 con el método AASHTO para pavimentos
rígidos con los datos provistos
C. vida remanente después de daño de fatiga por trafico
R = 50% (Z = 0) So = N/A D = 10.0 in
ΔPSI = 4.5 – 1.5 = 3.0 Sc = 650 psi Cd = 1.0
J = 3.2 k = 72 pci Ec = 5 x 106 psi
N1.5 = 31.5 millones
k = 72 pci
Ec = 5 x 106 psi
Sc = 650 psi
J = 3.2
Cd = 1.0
ΔPSI = 3.0
D = 10.0 in
R = 50% (Z = 0)
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Ejemplo:
Np = 14,500,000
N1.5 = 31,500,000
RL = 100 (1 – Np / N1.5) = 100 (1 – 14500000/31500000) =
0.54
C. vida remanente después de daño de fatiga por trafico
CF = 0.9
C. vida remanente después de daño de fatiga por trafico
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Ejemplo:
Np = 14,500,000
N1.5 = 31,500,000
RL = 100 (1 – Np / N1.5) = 100 (1 – 14500000/31500000) = 0.54
CF = 0.9
SCeff = CF x SCo
En pavimentos rígidos SC esta definido por el espesor D
Entonces
Deff = CF x Do
9 = 0.9 x 10 …. Deff = 9 pulgadas
C. vida remanente después de daño de fatiga por trafico Análisis de capacidad estructural futura
El objetivo principal de todo este análisis es determinar la capacidad
estructural total (SCf) que permita sostener un pavimento nuevo para Nf
repeticiones
Esto se puede hacer tranquilamente con un rediseño para un pavimento
nuevo flexible o rígido, con algunas ligeras modificaciones para estos 7
casos
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Método de diseño de recapeo
La guía AASHTO provee de procedimientos paso a paso para cada
uno de estos 7 casos de recapeo, incluyendo pasos para
Análisis costo-beneficio
Reparaciones antes del recapeo
Control de reflexión de grietas
Subdrenaje
Diseño de espesores
Estos pasos se repiten para cada caso, a pesar de ser casi idénticos.
En la tabla anterior se puede observar si es que se calcular el diseño
con valores SN o D, y si se requiere NDT para determinar valores MR
o k, y que métodos se usan para calcular SCeff
CASO I: AC sobre AC
El espesor requerido de recapeo DOL se puede calcular
con la siguiente ecuación:
DOL = SNOL / aOL = (SNf – SNeff) / aOL
Donde:
aOL = coeficiente estructural del material de recapeo
Se sugiere utilizar los tres métodos (si esto se puede)
para calcular el SNeff y el valor mas apropiado usarse
según la experiencia ingenieril.
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Ejemplo:
Estructura Original
AC = 4.25 in Base = 8 in
MR = 5634 psi (calculado vía NDT, arena limosa/arena gravosa)
Calcular el diseño de recapeo para que el pavimento soporte 2,400,000 ESALs adicionales a un nivel de confiabilidad de R = 50% para un So = 0.45, con p1 = 4.2, p2 = 2.5
Se sabe que el pavimento ya sostuvo Np = 400,000 ESALs, su a1 = 0.44, a2 = 0.14
Considerar aOL = 0.44
CASO I: AC sobre AC
Ejemplo:
Calcular SNeff
Método NDT = 2.88 (ejemplo presentado anteriormente)
Método de relevamiento, usando tablas 13.7 presentado antes
a1 = 0.35 a2 = 0.14
m1 = 1.00 m2 = 1.00
SNeff = 0.35 x 4.25 + 0.14 x 8 = 2.61
Método de vida remanente
RL = 100 ( 1 – Np / N1.5)
Se necesita calcular N1.5, y se hace usando el nomograma
para pavimentos de asfalto, resultando N1.5 = 1,140,161
RL = 65, CF = 0.93, y SNeff = 0.93 x 2.99 = 2.78
CASO I: AC sobre AC
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N1.5 = 1.140 millones
Ejemplo:
Calcular SNeff
De los tres métodos se puede escoger cualquiera según la experiencia, o ante la falta de la misma, se puede analizar los resultados con los tres o el promedio
Si se usa el menor, 2.61, con el valor de aOL = 0.44
DOL = SNOL / aOL = (SNf – SNeff) / aOL
Falta calcular SNf
Aplicando el nomograma para R = 95%, So = 0.45, p1 = 4.2, p2 = 2.5 y el trafico adicional de Nf = 2,400,000
SNf = 4.69
Entonces
DOL = (4.69 – 2.61) / 0.44 = 4.73 in de AC sobre AC
CASO I: AC sobre AC
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CASO III: AC sobre PCC
El espesor requerido para un recapeo de concreto
sobre concreto (con unión) se calcula como
DOL = Df - Deff
Donde
DOL = espesor del PCC
Sin embargo, si el recapeo es con asfalto, el espesor
obtenido con concreto debe reconvertirse a un
espesor equivalente AC
DOL =A (Df - Deff)
Donde
A = factor de conversión entre los espesores de
concreto y asfalto
CASO III: AC sobre PCC
Se uso el programa BISAR para calcular el valor de A en
base a los esfuerzos de tensión en la parte baja de la losa
Se encontró que
A = 2.2233 + 0.0099 (Df – Deff)2 – 0.1534 (Df – Deff)
Donde Deff se calcula por cualquiera de los métodos
previamente presentados
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Ejemplo
Recapeo de AC sobre un JRCP existente
Losa de 10 pulgadas
k = 150 pci, CBR = 5
So = 0.35
p1 = 4.2
p2 = 3.0 al momento de decidir el recapeo
J = 3.2
Cd = 1.00
Ec = 4 x 106 psi
Sc = 650 psi
Se requiere soportar 10,050,000 ESAL adicionales
CASO III: AC sobre PCC
Ejemplo
Recapeo de AC sobre un JRCP existente
Losa de 10 pulgadas
k = 150 pci, CBR = 5
So = 0.35
p1 = 4.2 p2 = 3.0 al momento de decidir el recapeo
J = 3.2 Cd = 1.00
Ec = 4 x 106 psi Sc = 650 psi
Se requiere soportar 10,050,000 ESAL adicionales
De un relevamiento en campo se encontro:
Ffat = 0.98 Fdur = 0.98 Fjc = 0.95
CASO III: AC sobre PCC
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CASO III: AC sobre PCC
Ejemplo
Se requiere calcular
Deff = D x Ffat x Fjc x Fdur = 10 x 0.98 x 0.95 x 0.98 = 9.12 in
Se necesita Df
Df se calcula del nomograma
DISEÑO - NOMOGRAMA
R = 95% So = 0.35 D = 10.0 in
ΔPSI = 4.2 – 3.0 = 1.2 Sc = 650 psi Cd = 1.0
J = 3.2 k = 150 pci Ec = 4 x 106 psi
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DISEÑO -
NOMOGRAMA Df = 11.40
R = 95%
So = 0.35
D = 10.0 in
ΔPSI = 4.2 – 3.0 =
1.2
Sc = 650 psi
Cd = 1.0
J = 3.2
k = 150 pci
Ec = 4 x 106 psi
CASO III: AC sobre PCC
Se requiere calcular
Deff = D x Ffat x Fjc x Fdur = 10 x 0.98 x 0.95 x 0.98 = 9.12 in
Se necesita Df
Df se calcula del nomograma = 11.40
Se calcula DOL = Df – Deff
DOL = 11.40 – 9.12 = 2.28 in de concreto
Aplicando la ecuación que modifica asfaltos en vez de
concreto
A = 2.2233 + 0.0099 (Df – Deff)2 – 0.1534 (Df – Deff)
A = 1.93
Entonces
DOL = 1.93 x 2.28 = 4.4 in de AC