Juan Pablo Covarrubias
Optipave
Juan Pablo Covarrubias • Ingeniero Civil PUC • Gerente General de TCPavements donde ha estado a cargo más de 500 proyectos para el diseño, en 15 países • Jefe de proyecto del software de diseño TCP ®: OptiPave® y OptiPave2 ®. • Director Ejecutivo de LTPisos (spin-off de Litoral Ing.) ha desarrollado más de 100 diseño de pisos en Chile, Perú Colombia y EEUU • Profesor de Tecnología del Hormigón y de Materiales de Ingeniería en la Universidad de Los Andes • Director de la ISCP (International Society for Concrete Pavements) • Miembro de comité de pavimentos de Hormigón (TRB), de ACPA y de la ACCT.
Análisis comparación entre losa larga y losa corta Cargadas por un mismo camión, tensiones desde arriba
TCP® 1,75m x 1,75m 15 cm espesor Máx. tensión: 20,7 kg/cm2
AASHTO 4,5m x 3,5m 25 cm espesor Máx. tensión: 22,4 kg/cm2
TCP® 1,75m x 1,75m 25 cm espesor Máx. tensión: 4,36 kg/cm2
Concepto de Diseño TCP® Se dimensionan las losas de tal forma que cada una sea cargada por una rueda o set de ruedas a la vez, permitiendo reducir el espesor del pavimento. Diseño AASHTO
Diseño TCP®
Colaboradores En el diseño y desarrollo de la metodología TCP®
Dr. Juan Pablo Covarrubias TCP Inventor Professor Catholic University and Universidad Los Andes Chief Engineer HDM-4 Concrete Models Ex ACI and ISCP Board Member
Dr. Michael Darter, PE Emeritus Professor of Civil & Environmental Engineering at U of IL Principal Engineer at ARA Principal Investigator (PI) of MEPDG and StreetPave fatigue equations
Dr. Lev Khazanovich, PE Professor at University of Pittsburgh Co-Developer of ISLAB™, the structural basis of MEPDG & OptiPave™ Co-Developer of MEPDG
Dr. Jeff Roesler, PE Robert Rodden, MsC Dr. Dan Zollinger, PE Professor at University of IL Professor at Texas A&M University Conducted physical tests to calibrate Developed the joint faulting model for OptiPave™ MEPDG & OptiPave™ Developed the slab-to-beam relationship Mauricio Poblete, MsC for OptiPave™
MĂŠtodos de diseĂąo de pavimento
Paradigma: El espesor como valor fundamental Paradigma: El espesor como valor fundamental
Descripción sensibilidad Alabeo - Largo de Losa Inputs
Outputs
Espesor del pavimento (hpcc) Transferencia de carga transversal (LTE x) 213 cm
Condición de borde (LTE y)
Diferencial de temperatura (∆T°)
Máxima tensión superior (Largo de losa)
150 cm
Máxima tensión inferior (Largo de losa)
300 cm
Reacción de apoyo (K)
Peso camión: 21.000 kg
Largo de losa
hpcc
LTE x
LTE y
∆T°
K
(cm) 100 125 150 175 200 225 250 300 400 500
(cm) 10 12 14 16 18 20 22 24
(%) 25 50 75 95
(%) 1 25 50
(°C) 0 -5 -10 -15 -20
(kg/cm3) 3 5 7 10 15 20
28.800 Casos
Resultado losas Planas 30 Máx. de max stress bottom
Tensión ( kg/cm2
25 20 15
10 5 0 100
125
150
175 200 225 250 Lago de Losa ( cm)
300
400
500
Variable
Valor
LTE x K ∆T° hpcc LTE y
1 5 kg/cm3 0°C 20 cm 50 %
Sensibilidad LL vs BIC Variab le
Valor
Variable
Valor
LTE x K ∆T° hpcc LTE y
1 5 kg/cm3 -5 °C 20 cm 50 %
LTE x K ∆T° hpcc LTE y
1 5 kg/cm3 -15 °C 20 cm 50 %
Variable
Valor
Variable
Valor
LTE x K ∆T° hpcc LTE y
1 20kg/cm3 -5 °C 20 cm 50 %
LTE x K ∆T° hpcc LTE y
1 20kg/cm3 -15 °C 20 cm 50 %
Modos de Falla Direcciรณn del trรกnsito
Grieta Transversal desde Arriba
Grieta Longitudinal desde Arriba
Grieta Transversal desde Abajo
Grieta Longitudinal desde Abajo
Escalonamiento
Grieta de Esquina
Modelo de suelo
Proceso de Análisis ISLAB2000 • Crear modelo usando ISLAB2000Prep • Correr ISLAB2000 analysis • Ver resultados con ISLAB2000Post • En este caso los resultados son llevados a una base de datos (Khazanovich)
Caracterización de la carga Parámetros S1
31 cm
S2
182 cm
S3
213 cm
Presión de neumáticos
8,2 Kg/cm2
Ancho de neumáticos
25 cm
Parámetros S1
31 cm
S2
182 cm
S3
213 cm
L1
145 cm
Presión de neumáticos
8,2 Kg/cm2
Ancho de neumáticos
25 cm
OptiPave™2 • Calculo de tensiones • Red Neural para la predicción de tensiones • Concepto de estructura Equivalente • • • •
Reduce el numero de corridas en Islab Rápido en Calcular Output continuo El modelo considera interacciones entre las variables
σppc,1
σppc,2 lpcc = leqq,eff Lpcc = Leqq Φpcc = Φeqq,eff
IF:
spcc=seqq
Evaluaci贸n de tensiones Tensi贸n Inferior Tensi贸n Inferior X=20,40 & 60 cm del borde
Borde; L/2
Tensi贸n Superior 40,60 & 80cm del borde
40,60,80 cm de la junta transv
Ejemplo para BWS (Bottom Wheelpath Stress) Dimensión Losa Largo( Ancho Cm) (Cm)
Eje
Transferencia de carga
Carga (KG)
Posición (cm)
x
Y
Borde (%)
Junta Junta Longitud Transversal inal (%) (%)
Propiedades del material Radio de Φ rigidez Koronev relativo (cm)
Valores fijos: hPCC: 15 cm heff : 15 cm µ: 0,15 k: 10 kg/cm3 αPCC: 10-5 °C-1 µPCC:0,15
140 180 230
180 210
0 3.000 6.000 10.000 16.000 25.000 40.000
0 10 25 50 80
L/2
3
2
7
5
1
0 25 50
3
50
10 30 50 80
1
4
18,4 23,2 30,5 41,2 51,8 61,6 73,2 92,1 109,5
-100 -63 -31 -13 0 13 25 50 81
9 9 Corridas totales: 204.120
Precisiรณn Red Neuronal
Transferencia de Carga Secciรณn 2 (Sur) S ec tion 2 - L T E
40kN
120
67kN
89kN
111kN
156kN
E ffic ienc y (% )
100 80 J oint 29
60
J oint 30 J oint 36
40
J oint 37
20 0 0
5000
10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
P as s es
Calibraciรณn LTE 100% 90% 80%
Transferencia de Carga
70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0
1
2 Apertura de Junta (mm)
3
4
Alabeo • Se expresa como diferencia de temperatura, pero es: • Gradiente Hidráulico Construcción • Gradiente Térmico Construcción • Gradiente Hidráulico Estacional • Gradiente Térmico Estacional
• △Tº = △Tªc+ △Tºd • △Tº= Gradiente térmico equivalente • △Tªc= Gradiente térmico equivalente de construcción • △Tºd =Gradiente Térmico por variaciones de temperaturas
Ubicación • Evaluación EICM para una ubicación dada • Se utilizan gradientes de temperatura equivalente Seco-F Verano Inv 0% 0% 1% 1% 6% 6% 10% 10% 14% 14% 21% 21% 13% 13% 11% 11% 7% 7% 4% 4% 3% 3% 3% 3% 3% 3% 2% 2% 1% 1% 0% 0% 0% 0% 0% 0%
Húm-NF Verano Inv 0% 0% 3% 3% 11% 11% 10% 10% 10% 10% 20% 20% 10% 10% 8% 8% 7% 7% 5% 5% 3% 3% 3% 3% 3% 3% 3% 3% 2% 2% 1% 1% 0% 0% 0% 0%
Húm-F Verano Inv 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 11% 11% 32% 32% 24% 24% 16% 16% 10% 10% 5% 5% 2% 2% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%
HORAS DE GRADIENTE ACUMULADAS AL AÑO HORAS ACUMULADAS AL AÑO (hrs)
ºC/cm -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1
Seco-NF Verano Inv 0% 0% 5% 5% 18% 18% 15% 15% 12% 12% 8% 8% 4% 4% 5% 5% 5% 5% 4% 4% 4% 4% 4% 4% 4% 4% 5% 5% 4% 4% 2% 2% 1% 1% 1% 1%
3000 2500
2000 1500 1000 500 0 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 > GRADIENTES TERMICOS ⁰C/cm
Algoritmo de Fatiga 1.
Corridas del Islab 2000 para tensiones y NCHRP 1-37ÂŞ para el algoritmo de fatiga.
2.
GeometrĂa y calibraciĂłn del materia, se realizan a este nivel.
ďƒŚ ďƒś ď ł ďƒˇďƒˇ Log ( N ) = 2 * ďƒ§ďƒ§ ďƒ¨ MOR * C1 * C2 ďƒ¸ FDk = ďƒĽ i
nijk N ijk
1 đ??śđ?‘…đ??ž% = 1 + đ??ś1đ?‘Ľđ??šđ??ˇ −đ??ś2
−1.22
Calibración Constante C1 Pruebas en losas de hormigón de 9cm y 15cm
Geometría de losas de 1.8 x 1.8m
Bastidor de carga de losa
Calibración constante C1 • Este comportamiento es explicado debido a la fractura del hormigón • Esto es válido para las grietas de la superficie superior, las de superficie inferior tienen una función de calibración diferente • La resistencia a la tensión del hormigón depende del tamaño de la pieza y las condiciones de apoyo C1 (Bottom)
Log ( N ) = 2 * (
2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8
6
11
16
21
MOR * C1 * C2
) −1.22
Calibración Constante C2 (Fibras) Ensayo Carga deformación. Norma ASTM 1609 -07
C2= ( 1 + R3,e)
Log ( N ) = 2 * (
C3 * ) −1.22 MOR * C1 * C2
Confiabilidad del Modelo • La desviación normal del error combinado (Se), es la dispersión de resultados entre el daño por fatiga calculado y el daño medido real, esto incluye las dispersiones inherentes a todos los factores que influyen en el comportamiento del pavimento, entre los cuales tienen una participación preponderante los errores que pudieran darse en la predicción del tránsito solicitante y el grado de variabilidad que presentan los suelos de la subrasante ( ME-PDG)
TTcracksm = TTcracks50 Z r S e
(
Se = 5,3116 TTcracks50
• Mejor Solución: Simulación de Montecarlo
0 , 3903
) + 2,99
Cracking Model Calibration Project Champaign
Year 2007
Descripcion Thickness Concrete U of Illinois 3,5" to 8"
Support
4,8 MPa and FRC Silty- Clay
Climate
Traffic
ESALS
Country
W-F
ATLAS
0,02 mm- 50mm
US
0,02 mm- 1mm
Chile
Chinquihue
2005
Pto Montt
3,5" to 6"
4,8 Mpa
Sand
W-NF
Heavy Truck Traffic
Las Casas
2006
Temuco
3,5" to 6"
4,8 Mpa
Clay
W-NF
Heavy Truck Traffic
0,2 mm- 0,5mm
Chile
Estacion Central
2004
Santiago
5,5 "
4,8 Mpa
Granular
D-NF
Buses
14mm
Chile
Melon
2010
Lampa
3,5"-4"
4,8 Mpa FRC
Clay
D-NF
Heavy Truck Traffic
0,02 mm0,5mm
Chile
4,8MPa CTB; Asph
W-NF
Heavy Truck Traffic
50mm
Chile
D-NF
Heavy Truck Traffic
0,02 mm0,5mm
Chile
D-NF
Heavy Truck Traffic
0,5 mm
Chile
Talca
2009
Ruta 5
6"
Polpaico
2010
Melipilla
3,5" 5"
4,8 Mpa FRC
3,5"
4,8 Mpa FRC
UTCP RM
2010
U Aandes
Clay Silt
Fatiga đ?œŽ đ??żđ?‘œđ?‘”(đ?‘ ) = 2 ∗ đ?‘€đ?‘‚đ?‘… ∗ đ??ś1 ∗ đ??ś2
−1.22
Agrietamiento Longitudinal
100%
90%
Chinquihue
Las Casas
80%
Alameda
70%
Brotec-Melon 60% Talca 50% Polpaico 40%
UTCP R.M.
30%
Uandes
Curva AAShto
20%
Illinois 10%
0% 0,000
0,001
0,010
0,100
1,000
10,000
100,000
1000,000
Revisión Fallas por Erosión y Mejoras Presentadas • Cosas en Común: • • • •
Alto índice de Lluvia Alta Trafico Bases con muchos Finos Bases potencial de erosión Alto
• Soluciones método TCP • • • • •
Usar Bases sin finos( < 12 %) CTB cemento >4% Geotextil entre CTB y pavimento Geotextil entre base y subrasante Modificación de nuevo modelo de escalonamiento que incorpore estas soluciones
Escalonamiento y Modelo del IRI Concepto Diferencial de EnergĂa
• Diferencial de EnergĂa: EnergĂa Liberada en la Junta, producida por el Paso de un cierto tipo de eje en un momento dado. đ?‘˜ 2
2 2 • đ??ˇđ??¸ = ∙ đ?›żđ?‘™đ?‘œđ?‘Žđ?‘‘đ?‘’đ?‘‘ − đ?›żđ?‘ˆđ?‘›đ?‘™đ?‘œđ?‘Žđ?‘‘đ?‘’đ?‘‘
• Donde: • δloaded = Deflexión de la esquina, en la losa con carga • δlunloaded = Deflexión de la esquina, en la losa sin carga • k = Coeficiente de reacción de la subrasante
Fórmula de Escalonamiento Reformulada • 𝐹𝑎𝑢𝑙𝑡𝑚 = σ𝑚 𝑖=1 ∆𝐹𝑎𝑢𝑙𝑡𝑖 • ∆𝐹𝑎𝑢𝑙𝑡𝑖 = 𝐶34 ∙ 𝐹𝐴𝑈𝐿𝑇𝑀𝐴𝑋𝑖−1 − 𝐹𝑎𝑢𝑙𝑡𝑖−1
• 𝐹𝐴𝑈𝐿𝑇𝑀𝐴𝑋0 = 𝐶12 ∙ 𝛿𝑀𝐴𝑋∙ 𝐿𝑜𝑔 1 + 𝐶5 ∙ 𝐹𝐴𝑈𝐿𝑇𝑀𝐴𝑋𝑖 = 𝐹𝐴𝑈𝐿𝑇𝑀𝐴𝑋𝑖−1 +
• ∙ 𝐿𝑜𝑔
(𝑃200 ∙100∙
𝑊𝑒𝑡𝑑𝑎𝑦𝑠 𝐶9 𝐷𝑟𝑒𝑛𝐶10
𝑃𝑆
𝐶6
𝐶7 106
2
∙ 𝐷𝐸𝑖 ∙ 𝐶8
5𝐸𝑅𝑂𝐷
∙ 𝐿𝑜𝑔
𝑃200 ∙100∙
∙ 𝐷𝐸𝑖 ∙ 𝐶8 ∙ 𝐿𝑜𝑔 1 + 𝐶5 ∙
𝑊𝑒𝑡𝑑𝑎𝑦𝑠 𝐶9 𝐷𝑟𝑒𝑛𝐶10
𝑃𝑆 5𝐸𝑅𝑂𝐷
𝐶6
𝐶6
Calibración del Modelo Escalonamiento • Se consideraron calibrar el modelo:
para
• Tramos con signos de Escalonamiento • Tramos sin escalonamiento y tráfico acumulado
• Resultados del modelo fueron comparados con observaciones de terreno
0
Proyecto Ruta 60-CH Tramo Portillo Ruta 60-CH Tramo Portillo Pista Externa Ruta 60-CH Sector Aduana Ruta 60-CH Sector G. Vieja Cauquenes Chanco Ruta 5 Talca Ruta 5 Osorno Cerro Sombrero La Pólvora Sodimac Quellón Yungay Walmart Acceso Principal Guatemala Camino Antigua Guatemala Cuesta Villalobos G-84 Quilamuta la Manga Mahuidanche Cerro Castillo Ruta 7 El Toqui
1
2
Años desde la Construcción 3 4 5 6 7
8
9
10
Escalonamiento (mm) 0
1
2
S/I
S/I
6
S/I
10
S/I
S/I
S/I
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0
1 1 1 1 0 3 0 0 1 2 0 0
S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I
S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I
3 3 2 1 1 10 1 S/I 2 S/I 1 0
S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I
5 6 2 S/I 1 S/I S/I S/I 2 S/I 1 1
S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I
S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I
S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I S/I 2 S/I 2 2
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
1 0 0 0 0
S/I S/I S/I S/I S/I
S/I S/I S/I S/I S/I
1 0 1 0 0
S/I S/I S/I S/I S/I
1 S/I S/I 0 S/I
S/I S/I S/I S/I S/I
S/I S/I S/I S/I S/I
1 S/I S/I S/I S/I
Correlación Modelo V/S Mediciones 12 14
10
Escalonamiento (mm)
Escalonamiento según Modelo (mm)
R² = 0,8282
8
6
12 10 8 6 4 2
4
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
Años
2
0 0
2
4
6
8
Escalonamiento observado (mm)
10
12
OBS. Ruta 60-CH Tramo Portillo
Ruta 5 Osorno
Ruta 60-CH Tramo Portillo
Ruta 5 Osorno
Cauquenes Chanco
La Polvora
OBS. La Polvora
OBS. Cauquenes Chanco
18
20
Características Principales y recomendaciones del Diseño TCP® • Losas pequeñas (media pista x 1,20 a 2,5 m) • Base granular (finos < 8%), base asfáltica o BTC • Geotextil entre sub rasante y base, si es necesario • Corte de juntas delgado (1,9mm- 2,5mm) • No requiere sello de juntas • No requiere barras de transferencia de cargas ni de amarre entre pistas ( salvo juntas construcción) • Confinamiento lateral
Transferencia de Carga Losas cortas • Transferencia de carga sin Barras de transferencia de carga: • Varía según las temperaturas del día (Depende de apertura de Junta) • Disminuye en el tiempo (Desgaste de los áridos en juntas
Hormigón • Tipo de Ensayo: Permite diseñar Resistencia: • Flexotracción (Recomendado) • Ensayo a la Compresión • Cilíndrica • Cúbica
• Coeficiente de Dilatación Térmico • Retracción del Hormigón (365 Días) • Otras Propiedades Básicas: • • • • •
Aumento de resistencia a 90 días Módulo de Elasticidad Módulo de Poisson Contenido de Aire Relación Agua-Cemento
• Fibra Estructural
Hormigón (cont.) • Agregar Fibra al Hormigón: • Se selecciona sí en fibra Estructural • Se selecciona un método de ensayo • Por el momento utilizar ASTM 1609
• Especificar una resistencia Residual • Por lo general se especifica entre 1 – 1,5 Mpa • 1 Mpa Resistencia Residual por defecto a utilizar
Elección del Tipo de Base • Se utilizara base CBR > a 80% (Hormigón sin fibra estructural) para • Pavimentos menores a 12 cm de espesor • Espesor del pavimento > 12 cm y lluvia mayor a 800 mm al año. • Trafico Mayor a 25.000.000 EE
• En todos los demás casos, incluidos todos los pavimentos con fibra: se utilizara Subbase Granular CBR > 50%. • En el caso de utilizar base extremadamente rígida, como BTC, Proes u hormigón, colocar Geotextil grueso, capa granular o asfalto par acomodar mejor la losa. • En el caso de Utilizar base con finos cementados, colocar geotextil para disminuir presión de agua en la parte superior de la losa ( 300gr/m2)
Pavimentos Ultra-delgados (U-TCP) Soluciรณn alternativa al doble tratamiento asfรกltico en caminos transversales de bajo trรกnsito existentes con carpetas granulares.
8-12 cm de hormigรณn con fibra Plataforma existente, sin base
Pavimentos Ultra-delgados (U-TCP)
Pavimentos U-TCP Características
• Extensión de la tecnología TCP • Consideran el uso de fibras estructurales • Tráficos menores a 1 mm EE • Se colocan sobra la plataforma existente • Tienen una vida post-agrietamiento superior a alternativas utilizadas • Aplicación en caminos de bajo transito, básicos- básicos intermedios y Aplicación en pasajes de ciudad