WS1-01-Carlos Chang - Conceptos de Diseño Mecanicista de Pavimentos de Hormigón

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.

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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

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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.

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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.

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Tráfico •

Diferentes Ejes de Carga Ejes Simples Llantas simples Llantas Duales

•

Tandem

Tridem

Llantas Duales

Ejes de Carga Mixtos

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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

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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

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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

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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

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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

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Grรกficos de Proyecciรณn de Falla

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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.

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Análisis Comparativo de Diseño de Pavimentos AASHTO 93 versus AASHTO MEPDG 2015

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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.

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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.

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Carlos M. Chang, Ph.D., P.E. cchangalbitres2@utep.edu