Conceptos de Diseño Mecanicista de Pavimentos de Hormigón CARLOS M. CHANG, Ph.D., P.E.
Temario 1. Introducción 2. Evolución del Diseño de Pavimentos 3. Diseño Mecanístico-Empírico (M-E) de Pavimentos - Herramienta de Diseño AASHTOWare M-E - Otras herramientas 4. Conclusiones y Reflexiones Finales 2
¿Qué Esperamos de un Pavimento?
¿Qué Esperamos de un Pavimento? Que brinden un buen servicio en …
Zonas Rurales
Zonas Urbanas
¿Qué Esperamos de un Pavimento?
Que soporten … muy poco tránsito
demasiado tránsito
¿Qué Esperamos de un Pavimento? Que prevalezcan o perduren …
tiempo
naturaleza
¿Qué Esperamos de un Pavimento?
Que sea SEGURO
7
¿Qué Esperamos de un Pavimento ? Que estén bien planificados
Generen beneficios a la población y que sean sostenibles en el tiempo
Diseño de Pavimentos de Hormigón Nivel de Comfort al Manejar
Espesor del Diseño
Junta Longitudinal Junta Transversal Textura de la Superficie
Materiales de Concreto Dowells o pasajuntas Subrasante Subbase o base
Barra de unión Longitudinal
Evolución del Diseño de Pavimentos
Evolución del Diseño de Pavimentos En el Futuro
¿Práctica Actual?
Empírico
MecanísticoEmpírico
Mecanístico
Estado de la práctica 12
Modelos para el Diseño de Pavimentos • Empíricos •
Estadísticos basados en ensayos experimentales.
• Mecanísticos • •
Cálculo de respuestas del pavimento i.e., esfuerzos, deformaciones. Modelos de desempeño del pavimento basados en principios mecanísticos.
• Mecanístico-Empíricos • •
Cálculo de respuestas del pavimento, i.e., esfuerzos, deformaciones. Modelos empíricos de desempeño del pavimento. 13
Prueba de Carretera AASHO (finales de los 50’s)
(AASHO, 1961)
AASHTO 93 Método Empírico Estadísticos basados en ensayos experimentales
Datos Requeridos para el Diseño Pavimentos Rígidos - AASHTO 93 • • • • • • • • •
Tráfico estimado proyectado ESALs w 18 Módulo de rigidez de la subrasante k (pci) Serviciabilidad (PSI) Confiabilidad Desviación estándar Módulo de elasticidad del concreto Ec Módulo de rotura del concreto s’c Coeficiente de transferencia de carga j Coeficiente de drenaje Cd
(AASHTO, 1993)
PSI PSI
PSI
DiseĂąo Basado en Serviciabilidad AASHTO
1986-93 JPCP AASHTO 93 Equation
AASHTO 93 vs. M-E Amplia gama de diseños de pavimentos nuevos y de rehabilitación
Limited structural sections
1 climate/2 years
Todos los climas en un período de 20-50 años
50+ millones de repeticiones de carga
1.1 million load reps
1 set of materials
Materiales nuevos y diversos 19
Alabeo de Losas de Concreto Temperatura o humedad
Gradiente Positivo
Profundidad
Superficie caliente o hĂşmeda
Temperatura o humedad
Gradiente Negativo
Profundidad
Superficie frĂa o seca
20
Manual de Diseño Mecanístico- Empírico de Pavimentos de Concreto” Esfuerzo conjunto del Instituto del Cemento y del Concreto de Guatemala (ICCG), y el Instituto Costarricense del Cemento y del Concreto de Costa Rica (ICCYC) por promover el estado del arte en el diseño de pavimentos de concreto.
23
AASHTO 2nd Edition - 2015
Diseño MecanísticoEmpírico (M-E) de Pavimentos
Propósito del Diseño M-E de Pavimentos Herramienta para el diseño de pavimentos nuevos y rehabilitación de pavimentos existentes basándose en PRINCIPIOS MECANISTICO – EMPIRICOS para seleccionar la mejor solución para las condiciones en servicio en su ciclo de vida.
27
Verificación del Desempeño
El procedimiento evalua un diseño propuesto para determinar si cumple con el comportamiento esperado bajo los criterios establecidos para un determinado nivel de confiabilidad Diseño Propuesto
Verificamos que No Presente Fallas o que NO Supere los Umbrales Admisibles Durante su Vida Ăštil
Software de DiseĂąo de Pavimentos
AASHTO - MEPDG 2da Edición - 2015
MEPDG representa un cambio sustancial en la manera de diseñar pavimentos. Acerca más al diseñador a la realidad y considera tráfico, características estructurales, materiales, construcción, y clima.
Recomendaciones para los Criterios de Desempeño Tipo de Pavimento
Criterios de Desempeño
Valor Umbral al final de la Vida Útil de Diseño Interestatal: 0.15 plg (3.8 mm)
Escalonamiento promedio de la Primaria: 0.20 plg (5.1 mm) junta Secundaria: 0.25 plg (6.4 mm) Interestatal: 10%
JPCP, CPR Porcentaje de fisuramiento nuevos y transversal de la losa refuerzos
Primaria: 15% Secundaria: 20%
Interestatal: 160 plg/milla (2.5 m/km ) IRI (Regularidad Superficial)
Primaria: 200 plg/milla (3.2 m/km ) Secundaria: 200 plg/milla (3.2 m/km ) 32
Fallas en Pavimentos RĂgidos
33
34
http://www.aashtoware.org/Pavement/Pages/default.aspx
Ventana Principal
36
Datos Generales • Periodo de diseño, fecha de construcción, fecha de inicio del tráfico • Naturaleza del proyecto • • •
Construcción nueva Reconstrucción Rehabilitación
• Tipo de pavimento • •
Flexible Rígido 37
Datos Generales
38
Datos Específicos • Tráfico •
Volumen
•
Distribución de la carga por eje
•
Configuración del eje
• Clima •
Latitud, longitud, elevación, etc.
• Estructura del Pavimento •
Capas, espesores, y propiedades de los materiales y otras características. 39
Tráfico •
Diferentes Ejes de Carga Ejes Simples Llantas simples Llantas Duales
•
Tandem
Tridem
Llantas Duales
Ejes de Carga Mixtos
40
Caracterización del Tráfico • La nueva guía utiliza un espectro de ejes de carga. Se utilizara un espectro completo para ejes simples, Tandem y Trudem. Si bien es cierto no se utiliza el enfoque de ESALs, el espectro de ejes de carga puede transformase a ESALs. •
Nivel 1: Recolección y análisis de datos específicos. Espectros de diseño desarrollados para cada clase de vehículo
•
Nivel 2: Espectros de diseño de base de datos
•
Nivel 3: Espectro de ejes de carga estándard por clase funcional de carretera
43
Datos de Trรกfico
DistribuciĂłn por tipo de vehĂculo y tasa de crecimiento
Datos Climáticos • Temperatura - la variación por hora es considerada •
El modelo predice la temperatura en la estructura del pavimento cada hora basado en datos climáticos históricos por hora
• Gradiente de humedad - Variación mensual es considerada
44
Resumen de datos climรกticos
Resumen de datos climรกticos
Capas del Pavimento
47
Ventana del paquete estructural
Caracterizaciรณn de Materiales
Mรณdulo Elรกstico PCC Base granular
subrasante
Protocolo de Ensayo ASTM C469 Materiales Granulares Mรณdulo Resliente AASHTO T307 49
Propiedades de la Losa de Hormigรณn
Propiedades de la capa A-1-a
Propiedades de la subrasante
Propiedades de la subrasante
Modelos de Respuesta Estructural – Elementos Finitos • Para pavimentos rígidos ➢
ISLAB2000⎯programa del Modelo de Elemento Finito (FEM)
• Datos de Entrada ➢ ➢ ➢ ➢
Geometría Propiedades del Material Cargas Temperatura
• Salidas ➢ ➢ ➢
Esfuerzos Internos Deformaciones Unitarias Deformación Acumulada
50
Concepto de Daño Acumulado
Daño
Daño total acumulado es la suma de los incrementos de daño a lo largo de la vida útil.
Vida Util de Diseño
55
Parámetros de Diseño sobre la Vida del Pavimento Cada aplicación de carga Modulo PCC Modulo CTB Trafico
Modulo AC Modulo de Base Granular Modulo Subrasante 0
2
4
Tiempo, años
6
8 56
Fallas en Pavimentos RĂgidos
57
Predicción de Falla
Verificación del Desempeño
¿Esta el nivel de falla predicho dentro de los limites permisibles para el nivel de confiabilidad deseado?
0
5
10
15
Edad, años
20
25
30
Ecuaciones del MEPDG
59
Confiabilidad del Diseño • La probabilidad de que cierta falla e IRI no excedan un nivel crítico. • La agencia debe seleccionar niveles de confiabilidad y los criterios de desempeño para los tipos diversos tipos de falla e IRI
60
Archivo de salida
61
Grรกficos de Proyecciรณn de Falla
62
Ventajas del MEPDG • Brinda herramientas para evaluar el efecto de las condiciones particulares proyecto en el desempeño del pavimento. • Mejor modelaje de los factores que afectan al pavimento: clima, cargas de tráfico, fenómeno de envejecimiento, variación del comportamiento de los materiales y su relación con la vida útil esperada del pavimento. • Los conceptos son adaptables a una gama amplia de aplicaciones futuras. • Diseños basados en análisis del ciclo de vida costobeneficio. 68
Análisis Comparativo de Diseño de Pavimentos AASHTO 93 versus AASHTO MEPDG 2015
64
DiseĂąo de Pavimentos AASHTO MEPG 2015 AASHTO MEPG 2015
AASHTO 1993 Pavimento Flexible
Capa
Pavimento Flexible Espesor (cm.)
Capa
Espesor (cm.)
Carpeta de mezcla asfĂĄltica en cliente
5
Carpeta de mezcla asfĂĄltica en caliente
25
Base Granular
40
Base Granular no estabilizada
30
Subbase Granular
40
Subbase Granular no estabilizada
30
Pavimento RĂgido Capa Losa de Concreto Base Granular
Pavimento RĂgido Espesor (cm.) 25.5 15
đ??“đ??ŤĂĄđ??&#x;đ??˘đ??œđ??¨ đ???đ??ž đ??ƒđ??˘đ??Źđ??žĂąđ??¨ = đ??„đ??’đ??€đ??‹ = đ?&#x;“ ∗ đ?&#x;?đ?&#x;Žđ?&#x;” CBR = 5 % - > Mr = 7,157 psi
Capa Losa de Concreto Base Granular
Espesor (cm.) 23 15
66
67
Conclusiones 1. MEPDG-AASHTO 2015 representa un método confiable para el diseño de pavimentos siempre y cuando los modelos de predicción de desempeño estén calibrados a las condiciones locales de cada país.
2. La implementación del MEPDG en Latinoamérica depende de la posibilidad de poder calibrar estos modelos para los distintos climas y materiales en cada región. 71
Clima Trafico Materiales
Estructura Daño
Tiempo
Respuesta
Acumulación de daño
Fallas 69
Reflexiones Finales 1. Es importante construir una base de datos climáticos utilizando información de estaciones climáticas certificadas. 2. Realizar censos de cargas en forma sistemática para mantener una base de datos actualizada que garantice que los espectros de cargas reflejan las condiciones de tránsito locales.
3. La implementación del MEPDG requiere de un esfuerzo conjunto de parte de los entidades gubernamentales, universidades, consultores, y constructores.
72
Carlos M. Chang, Ph.D., P.E. cchangalbitres2@utep.edu