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Evolución del Diseño de Pavimentos

Estuardo Herrera

Centro Tecnológico

Cementos Progreso

Evolución del Diseño de Pavimentos Pavimentos de Concreto

1865 Inverness, Escocia

1891 Bellefontaine, EEUU

1930’s Ciudad de Guatemala

Pavimentación Sexta Avenida, zona 1, Guatemala

Antiguo predio donde se encuentra hoy el Palacio Nacional, Guatemala

El Pavimento de Concreto es Versátil

• Desde una banqueta peatonal

• A pistas de aterrizaje para soportar naves > 600,000 kg

Pueden ser diseñados para vida útil de 5, 10, 20 y hasta 50 años

Cada pavimento consiste de componentes principales

• Los ingenieros pueden elegir estos y producir diseños únicos según las necesidades del proyecto

Pavimentos de Concreto Componentes de los

Pavimentos de Concreto

Objetivos del Diseño de Pavimentos

3. Fricción Adecuada (por seguridad)

5.Económico

4. Buena Regularidad Proveer para Rehabilitación y Reciclado (cuando sea posible)

1. Estructura Adecuada

Diseño debe ser “Construible”

3. Superficie No Deformable (por seguridad)

2. Proveer Estructura con Uniformidad de Soporte

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Objetivos del Diseño de Pavimentos

Para proveer una estructura que sea económica se debe considerar:

• Costo inicial de construcción

• Costo recurrente de mantenimiento

• Costo de rehabilitación

• Costos del usuario

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Tipos de Pavimentos de Concreto

Pavimento de Concreto Simple

• Con barras de transferencias (dovelas)

• Sin barras de transferencia

Pavimento de Concreto Reforzado

Pavimento Continuamente Reforzado

Concreto Compactado con Rodillo

Comparación de Terminología

Pavimentos Rígidos y Flexibles

Subrasante

Subrasante

Disipación del Esfuerzo en Pavimentos

• Práctica Actual Empírico

• Estado de la Práctica • Nivel actual de desarrollo, desempeñado o seguido

profesionalmente en un momento determinado

Mecanicista – Empírico

• Estado del Arte • Mayor nivel de desarrollo de dispositivo, técnica o campo

científico en un momento determinado

¿Puramente Mecanicista?

Evolución del Diseño de Pavimentos

• Práctica Actual Empírico

Mecanicista - Empírico

¿Puramente Mecanicista?

Diseño Empírico

Espesor

CBR

Guía Diseño AASHTO 1986-93

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Procedimientos AASHTO - Actualizaciones

• Guía Interina AASHO para diseño de pavimentos rígidos y flexibles 1961 – 1962

• Guía Interina AASHTO para diseño de estructuras de pavimentos – actualización 1972

• Revisión del Capítulo III de pavimentos de concreto de cemento Portland 1981

• Guía para el diseño de estructuras de pavimentos – revisiones mayores 1986

• Revisión de procedimientos de diseño de sobrecapas (deficiencias ’86); base WinPas 1993

• DARWin-ME – Conceptos mecanicistas incorporados 2010

Espesor

(D)

Confiabilidad

(R, So)

Tráfico

(ESALs)

Resistencia Sub-rasante

(kd)

Serviceabilidad

(po, pt)

Concreto

(S’c, Ec)

Transferencia Carga (J)

Coeficiente Drenaje (Cd)

Guía Diseño AASHTO 1986-93

Factores

Ecuación Diseño AASHTO 1986-93 Guía Diseño AASHTO 1993

WinPAS – Nos hace la vida fácil

E W

Necesidad de Transición hacia

Procedimientos de Diseño M - E

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Basada en prueba AASHO 1950’s

Versiones:

• 1961 (Interim Guide), 1972, 1986, 1993 (E)

• 1986 Destaca necesidad diseño M-E

• 1998 Suplemento Rígido (conceptos M-E)

Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO Una Zona Climática

LTPP

Estudio de 20 años de pavimentos en servicio (1987)

Monitoreo de más de 2400 pavimentos flexibles y rígidos

AASHO ROAD TEST – 1950’s Un Solo Tipo de Subrasante

Cargas Vehiculares de 1950’s Métodos Constructivos Controlados

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Capacidad de

Análisis de

Datos de 1950’s

…

Dos Años de Ensayos …

No 10 a 30 años

de Servicio

Diseño Mecanicista – Empírico

Empírico

• Estado de la Práctica • Nivel actual de desarrollo, desempeñado o seguido

profesionalmente en un momento determinado

Mecanicista – Empírico

¿Puramente Mecanicista?

Diseño Mecanisista - Empírico

Elementos

Mecanicistas

Elementos

Empíricos

Predicción de

Desempeño de

Pavimentos

PCA – 1933/1966/1984 “Receta de Cocina” - PCA

Paso1

2

3

4

5

6

7

8

9

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11

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Columna 6 - De Figuras 6a ó 6b utilizando Columna 2 e Ingreso 10 y 13

(Si No. de repeticiones permitidas > 10,000,000 ingresar ilimitado)

Columna 7 = (Columna 3 / Columna 6) * 100 (Si Columna 4 es ilimitada

entonces Columna 5 = 0)

Suma de todos los valores en Columna 7 (Si suma > 100, entonces la losa

es muy delgada) (Si suma < 100 entonces espesor es OK)

Chequear que la suma de las Columnas 5 y 7 sea cercano a 100, si no es

así, asuma un espesor de losa más delgado y repita el proceso

Método de Diseño de Pavimentos Rígidos PCA

Utilizando Tabla "Cálculo de Espesor de Pavimento"

Procedimiento

Columna 3 = Número de ejes esperados en el período de diseño

Ingresar 8 y 11 = Esfuerzo equivalente de tablas 6a o 6b

Ingresar 9 y 12 = Ingreso 8 / MR y Ingreso 11 / MR, respectivamente

Columna 5 = (Columna 3 / Columna 4) * 100 (Si Columna 4 es ilimitada

entonces Columna 5 = 0)

Suma de todos los valores en Columna 5 (Si suma > 100, entonces la losa

es muy delgada) (Si suma < 100, proceder con análisis de erosión)

Ingresar 10 y 13 utilizando Tablas 7a y 8a ó 7b y 8b

Asumir espesor de losa (Pesado = 8-12" y Liviano = 6-8")

Ingresar valor k (pci) en sub-base/sub-rasante (Tablas 1 y 2)

Ingresar modulo de rotura del concreto, MR (psi)

Seleccionar Factor de Carga (LSF) basado en clasificación de tráfico

Ingresar tipo de junta

Columna 4 - De Figura 5 utilizar Columna 2 e Ingresos 9 y 12

(Si No. de repeticiones permitidas > 10,000,000 ingresar ilimitado)

Ingresar tipo de hombro

Ingresar periodo de diseño

Columna 1 - Incluir niveles de carga para ejes sencillos y tandem

Columna 2 = LSF * Columna 1

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“Receta de Cocina” - PCA

Paso1

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Columna 6 - De Figuras 6a ó 6b utilizando Columna 2 e Ingreso 10 y 13

(Si No. de repeticiones permitidas > 10,000,000 ingresar ilimitado)

Columna 7 = (Columna 3 / Columna 6) * 100 (Si Columna 4 es ilimitada

entonces Columna 5 = 0)

Suma de todos los valores en Columna 7 (Si suma > 100, entonces la losa

es muy delgada) (Si suma < 100 entonces espesor es OK)

Chequear que la suma de las Columnas 5 y 7 sea cercano a 100, si no es

así, asuma un espesor de losa más delgado y repita el proceso

Método de Diseño de Pavimentos Rígidos PCA

Utilizando Tabla "Cálculo de Espesor de Pavimento"

Procedimiento

Columna 3 = Número de ejes esperados en el período de diseño

Ingresar 8 y 11 = Esfuerzo equivalente de tablas 6a o 6b

Ingresar 9 y 12 = Ingreso 8 / MR y Ingreso 11 / MR, respectivamente

Columna 5 = (Columna 3 / Columna 4) * 100 (Si Columna 4 es ilimitada

entonces Columna 5 = 0)

Suma de todos los valores en Columna 5 (Si suma > 100, entonces la losa

es muy delgada) (Si suma < 100, proceder con análisis de erosión)

Ingresar 10 y 13 utilizando Tablas 7a y 8a ó 7b y 8b

Asumir espesor de losa (Pesado = 8-12" y Liviano = 6-8")

Ingresar valor k (pci) en sub-base/sub-rasante (Tablas 1 y 2)

Ingresar modulo de rotura del concreto, MR (psi)

Seleccionar Factor de Carga (LSF) basado en clasificación de tráfico

Ingresar tipo de junta

Columna 4 - De Figura 5 utilizar Columna 2 e Ingresos 9 y 12

(Si No. de repeticiones permitidas > 10,000,000 ingresar ilimitado)

Ingresar tipo de hombro

Ingresar periodo de diseño

Columna 1 - Incluir niveles de carga para ejes sencillos y tandem

Columna 2 = LSF * Columna 1

PCA – 1966/1984

Cercano a 100%,

sin sobrepasar

Fa

tig

a

Ero

sió

n

Pavement Evaluator

Patrocinado por la FICEM (Federación Interamericana del Cemento) para HDM-4

Investigación liderada por el ICH, concluyendo en 1998

Modelos de deterioro y efectos de los trabajos en pavimentos de concreto del HDM-4

Desarrolla relaciones entre deterioro y conservación de carreteras de concreto HDM-4

Pavement Evaluator AASHTO 1986/1993

Pavement Evaluator Pavement Evaluator

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El Dilema es …

¿Qué voy a usar ahora?

¿Hacia donde deberíamos ir?

StreetPave

• Lanzado en 2005 por ACPA

• Para Calles y Carreteras

• Mejoras:

• Modelo de fatiga del concreto con componente confiabilidad

• Análisis de ejes tridem

• Recomendaciones para dovelas, espaciamiento, sub- rasantes y sub-bases

• Comparaciones con asfalto

Método de Diseño Mecanístico StreetPave - ACPA

StreetPave 12

E S

Método de Diseño Mecanicista – Empírico AASTHO M-E

Estudios de Desempeño - LTPP

LTPP

Estudio de 20 años de pavimentos en servicio (1987)

Monitoreo de más de 2400 pavimentos flexibles y rígidos

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Pantalla Inicio – Guía M-E Componentes Clave en el Diseño M - E

• Datos de Entrada

• Modelos de Respuesta Estructural

• Predicción de Desempeño

• Criterios de Falla

• Confiabilidad del Diseño

Información General Datos de Entrada

Relacionados con el sitio

• Tráfico – Espectros de carga

• Sub-rasante – propiedades, resistencia, módulos

• Clima – precipitación, temperatura

Relacionados con el diseño

• Sección estructural – espesor, tipos de capas

• Materiales de pavimentación – resistencia, módulos

Datos de Clima

Datos de Clima

Importación de datos de estaciones meteorológicas

• Longitud, Latitud, Elevación, Nivel Freático

Se pueden generar con interpolación

Perfiles de temperatura y humedad son modelados con el EICM (Enhanced Integrated Climate Model)

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Datos de la Estructura Estructura – Conformación de Capas

Datos de cada capa, su espesor y características detalladas de cada capa y del diseño

• Propiedades del concreto, de la mezcla, resistencia

• Propiedades fisico/mecánicas de las capas de base, fricción, erosión

• Espaciamiento de juntas, dovelas, sello, hombros, sobre anchos,

Modelos de Respuesta Estructural

Ayuda a determinar respuesta del pavimento como función de la carga aplicada (tráfico o ambiente)

• Esfuerzo

• Deformación

• Deflexión

Componentes Clave en el Diseño M - E

• Datos de Entrada

• Modelos de Respuesta Estructural

• Predicción de Desempeño

• Criterios de Falla

• Confiabilidad del Diseño

Indicadores Clave de Desempeño de

Pavimentos Concreto

Pavimentos de Concreto Simple (JPCP)

• Escalonamiento

• Agrietamiento transversal – abajo-arriba

• Agrietamiento transversal – arriba-abajo

• Calidad de rodadura (Rugosidad)

Pavimentos de Concreto Continuamente Reforzados (CRCP)

• Perforaciones (Punchouts)

• Calidad de rodadura (Rugosidad)

Escalonamiento

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Agrietamiento Transversal Perforaciones (Punchouts)

Calidad de Rodadura del Pavimento

Velocidad = 80 km/h

Perfil

Medido 𝑰𝑹𝑰 =

(𝑫𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂 𝑽𝒆𝒓𝒕𝒊𝒄𝒂𝒍)

𝑫𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂 𝑯𝒐𝒓𝒊𝒛𝒐𝒏𝒕𝒂𝒍

Algoritmo

Índice de Rugosidad Internacional (IRI)

Funciones de Transferencia

o Modelos de Deterioro

Existen múltiples funciones de transferencia para predecir la mayoría de deterioros identificados en los pavimentos

Las funciones de transferencia pueden clasificarse en categorías

• Basadas en daños por fatiga

• Modelos directos de predicción de deterioro

Acumulación Incremental del Daño

“Daño” modelado en el tiempo, como en la naturaleza – incrementalmente

• Se divide el periodo de diseño en incrementos (años, estaciones, entre día/noche)

Cambios en el tiempo son tratados y monitoreados

• Resistencia de materiales, humedad/temperatura estacional, variaciones de tráfico, etc.

Da

ño

Tiempo

Predicción de la Calidad de Rodadura

No existen modelos mecanicistas que predigan la rugosidad del pavimento

IRI se predice actualmente basado en la combinación de:

• IRI inicial

• Cambios en el deterioro

• Efectos de las actividades de mantenimiento

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Componentes Clave en el Diseño M - E

• Datos de Entrada

• Modelos de Respuesta Estructural

• Predicción de Desempeño

• Criterios de Falla

• Confiabilidad del Diseño

Criterios de Falla

El éxito o fracaso del diseño a probar, se determina chequeando el deterioro predicho y la rugosidad, contra los criterios del dueño de la vía

El diseño podría fallar si:

• El deterioro predicho es mayor que el permitido

• La rugosidad predicha es inaceptable

Componentes Clave en el Diseño M - E

• Datos de Entrada

• Modelos de Respuesta Estructural

• Predicción de Desempeño

• Criterios de Falla

• Confiabilidad del Diseño

Confiabilidad del Diseño

Prácticamente todo lo asociado con diseño de pavimentos es variable

• Variabilidad en los datos promedio de entrada – tráfico, materiales, sub-rasante, clima, etc.

• Error en el desempeño de los modelos de predicción

En diseños M-E, cada variable puede modelarse por separado o se puede agrupar y aplicar como factor de ajuste

Análisis y Resultados Resultados – Compilación de Datos

Ingresados + Deterioros

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Análisis y Resultados Resumen

Diseño M-E “amarra” la respuesta estructural del pavimento con su desempeño

Deterioro del pavimento y su rugosidad son los indicadores clave de desempeño

Los criterios de falla se basan en deterioros individuales o en la rugosidad

El objetivo primordial del diseño M-E es mantener los deterioros claves y calidad de rodadura en niveles óptimos

Método AASHTO 93

PCA

AASHTO M-E

Ejemplo Comparativo Ejemplo Comparativo – Resultados (mm)

1 MM

ESALs

70

ADTT

5 MM

ESALs

360

ADTT

10 MM

ESALs

700

ADTT

15 MM

ESALs

950

ADTT

AASHTO

’93 150 210 230 250

PCA 165 200 220 220

AASHTO

M-E 150 180 190 190

Ejemplo Comparativo – Resultados (mm)

100

120

140

160

180

200

220

240

260

1 5 10 15

Es

pe

so

r (m

m)

Millones de ESALs

AASHTO '93

PCA

AASHTO M-E

Hacia el Futuro

Métodos de diseño en constante evolución

Estado de la práctica: diseños M-E y la predicción de deterioros

Optimización de espesores de carpeta … pero, eso no basta

Elegir metodología que mejor se adapte a condiciones locales

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¡¡ Muchas Gracias !!