FUNDAMENTOS Y DISEÑO POR METODOS RACIONALES DE PAVIMENTOS DE

CONCRETO

ANA MARIA ESPEJO RIAÑOERIKA ANDREA MUÑOZ GONZALES

JUAN CARLOS POLO GAMARRA

BOGOTÁ 2015

Se pretende lograr una visión y conocimiento de los postulados básicos del método racional que han sido reunidos y adaptados por el IDU a través de la reseña de su evolución histórica. El procedimiento seguido para el diseño de un pavimento por métodos racionales se planteo inicialmente por medio de modelos bicapas que posteriormente fueron generalizados a tricapas y multicapa.

El estudio de su fundamentación teórica, busca adquirir el conocimiento suficiente del manejo de los parámetros y factores que intervienen y es necesario observar a la hora de proponer un diseño de un pavimento en concreto.

Introducción

Calzadas en concreto

El concreto es una mezcla de materiales como piedras, gravas y arenas aglomeradas, que con la ayuda de un ligante hidráulico (cemento), y mediante un proceso de fraguado, se endurece volviéndose un material de alta resistencia mecánica y con un modulo de elasticidad elevado.

Un concreto para carreteras debe poseer mínimo una resistencia media a la tracción por flexión que pase de 5 Mpa y un modulo de elasticidad de 40 Gpa, esta características garantizan una mínima deformación por el transito de cargas pesadas y una buena distribución de las presiones. Estas estructuras se apoyan en suelos de baja capacidad portante

Marco teórico

Marco teórico

Figura .Reaccion de hidratación del cemento. Reyes, A., (2003),Diseño Racional de pavimentos. Bogotá D.C, Colombia. Escuela colombiana de Ingeniería

Fenómenos producidos por la hidratación:

El concreto es un material frágil debido a que solo resiste cargas para las que se diseño y se acomoda muy mal a las sobrecargas, una vez se rompe el concreto no presenta una deformación plástica.

Debido a que el concreto se contrae en proceso de fraguado hay que tomar las precauciones necesarias para reducir los efectos de discontinuidades.

Funcionamiento de las calzadas en concreto

Es un análisis basado en 3 elementos principales:

Seguimiento experimental de secciones de calzadas a largo plazo Estudio sobre el modelo matemático Estudio del comportamiento de los materiales en laboratorio

Modelos de la mecánica de calzadas

Estos modelos son utilizados para el dimensionamiento de las calzadas en concreto, los modelos son:

Modelo de westergaard (1926): El modelo de calculo asimila un sistema de resortes cuyo desplazamiento vertical en un punto (), es proporcional a la presión vertical () en ese punto, o sea

Marco teórico

Marco teórico

Figura .Esquema modelo del modelo de westergaard. Reyes, A., (2003),Diseño Racional de pavimentos. Bogotá D.C, Colombia. Escuela colombiana de Ingeniería

= Esfuerzo vertical sobre el masivo.

= modulo de reacción del suelo soporte

W= desplazamiento vertical de la placa

Modelo Multicapas ( Burmister,1943)

Este modelo es muy efectivo debido a que

Todas las capas se tratan como solidos elásticos ( Se evita hipótesis de la placa)

Las interfaces entre placas pueden ir pegadas o no, y una misma estructura puede tener tanto capas pegadas como despegadas

Marco teórico

Modelo Multicapas ( Burmister,1943)

En el caso de cargas múltiples (ejes simples, tandem o tridem se puede tratar adicionalmente los efectos de capas elementales.

Su principal limitación es:

No se pueden tratar los efectos del borde, (carga en el borde o una fisura en el borde de la calzada).

Figura .Esquema modelo del modelo de Burmister. Reyes, A., (2003),Diseño Racional de pavimentos. Bogotá D.C, Colombia. Escuela colombiana de Ingeniería

Modelo de elementos finitos Dalle

Realiza una relación de dimensiones finitas, las diversas capas que componen el masivo son infinitas horizontalmente y el espesor de la ultima capa es infinito.

Modelo Dalle de las 3 dimensiones

El LCPC desarrollo en 1971 un programa de calculo, el programa realizado se basa en estructuras con simetría de revolución. Estas implicaciones reducen el tamaño de las matrices.

Marco teórico

Figura .Esquema del modelo Dalle (Placa) bidimensional. Reyes, A., (2003),Diseño Racional de pavimentos. Bogotá D.C, Colombia. Escuela colombiana de Ingeniería

Modelo Dalle (placa) de tres dimensiones

Este modelo calcula los esfuerzos y desplazamientos de una estructura definida de la siguiente manera:

La placa tiene una forma cualquiera, que no es necesariamente homogénea. La subrasante esta representada por un masivo multicapa de Burmister. La reacción del masivo sobre la placa tiene cualquier orientación La placa puede desprenderse del soporte, ya que la superficie de contacto la

calcula el modelo mismo

Marco teórico

Figura Tipos de problemas resueltos por el modelo de Dalle. Reyes, A., (2003),Diseño Racional de pavimentos. Bogotá D.C, Colombia. Escuela colombiana de Ingeniería

Marco teórico Modelación del componente de la calzada. Ilustración del modelo

Burmister (programa Alize III del LCPC)

Sus principales dificultades se presentan en la precisión de cálculos de esfuerzos o deformaciones, o cuando se multiplican las placas para examinar los efectos de la transferencia de carga en las juntas o fisuras. La introducción de datos y la lectura son bastante dispendiosa, debido a que se demora de cinco a diez veces mas que el de un modelo analítico.

Modelación de la fatiga del concreto Se presenta con la ecuación de Wohler: Esfuerzo de Ruptura B = Pendiente de la ley de fatiga N = Transito - Numero de ejes equivalentes

Marco teórico

El ajuste de la ley de fatiga se encuentra entre y

Figura leyes de fatiga del concreto . Reyes, A., (2003),Diseño Racional de pavimentos. Bogotá D.C, Colombia. Escuela colombiana de Ingeniería

Carga en el centro de la placa: Carga en el borde la placa (en ausencia de transferencia:

Marco teórico

Relacion del esfuerzo en el centro y el borde de la placa: Donde:

L = Dimensión de la losa en el sentido del transitoB = Dimensión de la losa en el sentido transversalH = Espesor de la placa

Dimensionamiento de calzadas en concreto

Calzadas con transito pesado

Las estructuras están presentadas por medio de planchas de estructuras (18 en total ). Cada plancha corresponde a un tipo de estructura, definido por la naturaleza de sus capas de pavimento (

Se consideran 3 clases de plataforma cuyo modulo de elasticidad esta comprendido entre 20 y 50 Mpa, cuyo modulo de elasticidad esta comprendido entre 50 y 120 Mpa, cuyo modulo de elasticidad esta comprendido entre 120 y 200 Mpa,

Calzadas de Transito Bajo

El usuario de acuerdo a la duración de las estructuras determina el trafico para la cual dimensiona la calzada. Los espesores de las estructuras se definen en forma de Abaco en función de la pareja (N,P):

N es el trafico acumulado, calculado a partir del trafico inicial, en función de la duración de servicio escogido y de la taza de crecimiento estimada.

Pes la capacidad portante de la plataforma soporte de la calzada , en funcion de la capacidad portante del suelo a largo plazo

Marco teórico

Marco teórico

Figura Abaco de dimensionamiento de calzada. Reyes, A., (2003),Diseño Racional de pavimentos. Bogotá D.C, Colombia. Escuela colombiana de Ingeniería

Marco teórico

Figura Consumo de materiales por metro cuadrado de clazada. Reyes, A., (2003),Diseño Racional de pavimentos. Bogotá D.C, Colombia. Escuela colombiana de Ingeniería

Cemento

La definición y la clasificación de los cementos se estable de acuerdo con las normas NTC 30 y NTC 31. Estan clasificados por su composición y su resistencia mecánica, en diferentes categorías:

CPA: Cemento portland artificial, que contiene al menos 97% de Clinker CPJ: Cemento portland compuesto, en el que la porción de Clinker es de al

menos de 65% y las adiciones como máximo de 35%, las cuales pueden ser cenizas , escorias y puzolanas

CHF: Cemento de alto Horno, que contiene por lo menos 25% Clinker y entre 60 y 75% de escoria.

CLK: Cemento de escoria con Clinker, que contiene al menos 7% de Clinker y 80% de escoria.

Las especificaciones del cemento para concreto hidráulico están contempladas en las normas NTC 121 y NTC 321 y las especificaciones para muestras y ensayos se encuentran en la NTC 108

Marco teórico

Rangos de resistencia sobre el mortero normalizado de las diferentes clases de cemento.

Marco teórico

Figura Rangos de resistencia sobre el mortero normalizado de las diferentes clases de cemento. Reyes, A., (2003),Diseño Racional de pavimentos. Bogotá D.C, Colombia. Escuela colombiana de Ingeniería

Valores limite de las características del cemento

El tiempo de fraguado a 20° C debe ser superior a 3 Horas y a 30°C debe ser mayor de 2 horas

La manejabilidad sobre el mortero normal esta comprendida entre 90 y 110% de la manejabilidad media. Su rango esta entre (m-2)s y (m+2)s

La retracción máxima es inferior a 800

Características de hidratación del cemento en función de las condiciones de obra.

Marco teórico

Figura Características de hidratación del cemento en función de las condiciones de obra. Reyes, A., (2003),Diseño Racional de pavimentos. Bogotá D.C, Colombia. Escuela colombiana de Ingeniería

Protocolo de acuerdo entre el productor del cemento y el contratista

Marco teórico

Figura Protocolo de acuerdo entre el productor del cemento y el contratista. Reyes, A., (2003),Diseño Racional de pavimentos. Bogotá D.C, Colombia. Escuela colombiana de Ingeniería

Elementos finos de adición

Son correctores de granulometría Complementan al Clinker cuando poseen un poder puzolanico o hidráulico.

Los finos q se pueden utilizar son:

Los fillers calcáreos Los finos de molienda La escoria molida Las cenizas volantes húmedas y secas.

Agregados

Constituyen el cuerpo del concreto y representan las cuartas quintas partes del peso de la mezcla.

Marco teórico

Características granulares y valores limite

• Características de la arena:

Marco teórico

Figura Características de la arena. Reyes, A., (2003),Diseño Racional de pavimentos. Bogotá D.C, Colombia. Escuela colombiana de Ingeniería

Características de gravas y gravillas

Marco teórico

Figura Características de gravas y gravillas. Reyes, A., (2003),Diseño Racional de pavimentos. Bogotá D.C, Colombia. Escuela colombiana de Ingeniería

Figura Limite de las características de gravillas para una superficie en relieve. Reyes, A., (2003),Diseño Racional de pavimentos. Bogotá D.C, Colombia. Escuela colombiana de Ingeniería

Aditivos

Son productos que se adicionan en baja dosificación en el concreto y modifican algunas de sus propiedades. Estos vienen líquidos o en polvo. Ningun aditivo es de uso obligatorio. Existen incorporadores de aire plastificantes, reductores de agua y fluidificantes.

Incorporadores de aire: Permiten incorporar en el concreto burbujas de aire de tamaño granulométrico, sirven para amortiguar el agua en caso de existir congelamiento. Aumenta la cohesión en el transporte y la descarga de camiones.

Plastificantes, reductores de agua: Mejoran la manejabilidad del concreto y permiten reducir la cantidad de agua necesaria. Aumentan la resistencia mecánica del concreto y se obtiene una mejor cohesión del material en el transporte.

Fludificadores: Permite dar al concreto una consistencia fluida durante un tiempo dado.

Marco teórico

Extendido y colocación entre formaletas fijas.

Las formaletas son de lamina de acero y sirven a la vez de moldes para la losa de concreto y de riel de circulación para las maquinas.

La formaleta debe protegerse con un producto de desencofrado sobre su flanco interior, antes de la colocación del concreto. Por regla general , el concreto se coloca en una sola capa; en el caso de ejecución de dos capas, la colocación debe hacerse inmediatamente después de la primera, antes de que comience a fraguar el concreto; la vibración ejercida para segunda capa debe afectar la parte superior de la primera con el fin de unir las dos capas.

Moldeo de la placa: Superficie

El concreto se coloca de acuerdo a dos principios diferentes:

Por extrusión Por nivelamiento

Marco teórico

Moldeo de los flancos de la placa

Los flanco de la placa deben ser perpendiculares a la superficie, con aristas a 90°. Una una ligera variación de este flanco permite reducir, en el caso de las placas gruesas, los escurrimientos de los bordes.

Trabajos Previos

Elaboración de la subrasante

Elaboración de concreto pobre, varia entre 12 y 15 cm se coloca directamente sobre la subrasante.

Colocación de armaduras para concreto armado continuo

Posicionamiento del acero

Marco teórico

Juntas

La retracción del concreto que se provoca por la fricción entre la losa y la base, ocasiona una fisuracion que se debe regular a través de un control o una colocación de juntas uniformemente.

Juntas longitudinales: Se hacen sobre calzadas para limitar las vías de circulación y elaborar placas estrechas que puedan absorber, sin fisuracion.

Juntas transversales de retroflexion: son realizadas cada 5 metros.

Es indispensable escoger el momento de corte, pues este no puede comenzarse si no hasta que el concreto de la placa este lo suficientemente duro para evitar que las maquinas de corte no dejen trazos asi como también para evitar arrancamientos en el borde de las placas

Marco teórico

Influencias de las condiciones atmosféricas

Sea que se trate de calor y frio, las condiciones meteorológicas y su evolución previsible pueden ser de tal naturaleza que lleven a paralizar la obra.

Colocación del concreto en tiempo cálido.

Es preferible empezar el extendido después de medio dia, esto con el fin de que el desprendimiento de calor del fraguado se compense con el enfriamiento de la noche, el concreto debe almacenarse a la temperatura mas baja posible, y en el momento del curado se procede a realizar dos rociados consecutivos d ela solución de curado para una buena ipermeabilizacion.

• Colocación del concreto en tiempo de lluvia

En caso de lluvia abundante, lo único que se puede hacer es cubrir el concreto fresco con polietileno, no se aconseja el reestriado del concreto. La rugosidad se obtendrá posteriormente por granallaje o tratamiento superficial, después de la lluvia se debe restituir todo el producto del curado

Marco teórico

Reyes, A. Diseño racional de pavimentos, (2003). Bogotá D.C, Colombia. Escuela colombiana de Ingeniería

Bibliografía