1

MODULO 6

MODELOS ME DE DETERIORO DE PAVIMENTOS RIGIDOS

Modelos M-E Pavimentos Rígidos

MEPDG para Pavimentos Rígidos

Losa de concreto(JPCP, CRCP)

Base (sin consolidar, estabilizada)

Subbase (sin consolidar, estabilizada)

Subrasante Compactada

Subrasante Natural

Roca de Fondo

Ec

Ebase

Sis

tem

a d

e ca

pas

con

va

lor

k ef

ecti

vo

Calcular las respuestas del pavimento

• Esfuerzos• Deformaciones

En puntos críticos

2

Pavimentos de Concreto Simple

• a. Sin “dowells” o pasadores en las juntas transversales

• Aplicación: Tráfico ligero, clima templado, se apoya directamente sobre la sub-rasante o sobre una base.

•10 a 25 cm.

•3 a 4 m.

•4 a 7.5 m.

•Junta transversal •Junta longitudinal

•2-0

Variabilidad de los Módulos con el Tiempo

Tiempo, años

Tráfico

No

Uni

dade

s

Fuerza CCP

ModuloBase

ModuloSubrasante

CTB

Incremento Tiempo

2 8640

Modelo estructural usando ISLAB2000 FEM

• ISLAB2000 es el programa de FEM usado para el modelo estructural de pavimentos rígidos

• ISLAB2000 tiene la habilidad de modelar:– Alabeo de losa (temperatura y

gradiente de humedad equivalente)– Fisuramiento y juntas– Cargas con neumáticos múltiples– Losas y tipos de bermas– Capas múltiples

3

Modelo de respuesta del PCCR –ISLAB2000

Problemas en los Pavimentos de Concreto

•3-0

Alabeo

• Se refiere a las distorsiones de la losa de concreto de cemento portland causadas por– Gradiente de Temperatura– Gradiente de Humedad

• Consiste de dos componentes– Componente incorporado y permanente– Componente que varia continuamente

según las las condiciones climáticas

4

Mayor temperatura enla superficie

Menor temperatura enla superficie

Respuesta por Efectos de Alabeo

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 5 10 15 20 25 30 35

Relative Temperature, °F

Dep

th(1

.0=

su

rfa

ce

)

0 20% 40% 60% 80% 100%

Gradiente de Temperatura actual

Alabeo de Construcción

Gradiente de humedad

ShrinkageinBuiltActual TTTT

Bombeo de Finos y ErosiónBombeo de finos: fenómeno de erosiónEscalonamiento de juntas transversales y

bordesTráfico pesado, presencia de agua y suelos

finos con plasticidad.

•2-0

5

•Mala Transferencia de Carga

•Buena Transferencia de Carga

Transferencia de Carga•2-0

b. Con pasadores o elementos de transferencia de Carga:

Pequeñas barras de acero, que se colocan en la sección transversal, y en las juntas de contracción. Su función es transmitir las cargas de una losa a la losa contigua. Aplicación: Tráfico mayor a 500 Ejes Equivalente de18 Kips.

Pavimentos de Concreto Simple

•A •A

•15cm. a 35cm.

•hasta 9m.

•Corte A-A•Junta transversal

•Barra de transferencia

•2-0

• Longitudes de 15-18” (38.1-45.7cm)

• 6.0 pulgadas (15.2cm) de longitud mínima de empotramiento

• Diámetro

– 1.25 - 1.50” (3.2-3.8cm) para carreteras

– 1.5 - 2.0” (3.8-5.1cm) para aeropuertos

• Epoxy u otra protección contra la corrosión para climas extremos

Recomendaciones para Pasajuntas

•2-0

6

a. Refuerzo de acero no estructural: Resistir las tensiones de contracción del concreto y controlar los agrietamientos. Tercio superior de la sección transversal a no menos de 5cm. El acero es 0.3% de la sección transversal del pavimento como máximo.

•hasta 30m.

•Armadura distribuida•[max. de 0.3% de sección transversal]

•2-0Pavimentos de Concreto con Refuerzo de Acero

b. Refuerzo de acero estructural: El refuerzo de acero

absorbe las tensiones de tracción y compresión

reduciendo el espesor de la losa hasta 10 o 12 cm.

Pavimentos de Concreto con Refuerzo de Acero

•Armadura distribuidacon función estructural

•2-0

El refuerzo asume todas las deformaciones, en especial las de temperatura, eliminando las juntas de contracción, quedando solo las juntas de construcción y de dilatación. El fisuramiento es controlado por una armadura continua en el medio de la calzada. Aplicación: Autopistas con alto volumen de tráfico, zonas de clima frío.

Pavimentos de Concreto con Refuerzo de Acero Continuo

•Armadura distribuida continua•[max. 1%de sección transversal

•Junta longitudinal

•2-0

7

•Clima•Trafico

•Materiales

•Estructura

•Fallas•Respuesta•Tiempo

•Daño

•Acumulación de daño

Modelos M-E Pavimentos Rígidos

Pavimento de ConcretoSimple con Juntas (JPCP)

8

Parte superior de la losa (inicio de la fisura)

Fisuramiento de arriba hacia abajo en JPCP

Base

Subrasante

Fisuramiento en JPCP (Carga en el borde + Condición de alabeo/pandeo negativo)

9

Fisuramiento de Abajo hacia Arriba – (Carga en la Mitad de la losa + Condición de Alabeo /pandeo positivo)

Base

Subrasante

Correlación de Daño con el Fisuramiento

El Daño acumulado en cada incremento está correlacionado al fisuramiento de campo basado en el modelo de daños calibrados usando información del LTPP

7.11

100

Dano

toFisuramien

Mecanismo de Desnivel (Escalonamiento) en las Juntas de JPCP

Dirección del tráfico

Sustentación: Base y subrasante

Abertura de la junta , Eficiencia de Transferencia de la Carga LTE

(Sin carga)

(Con Carga)

10

Predicción del Desnivel (Escalonamiento) Máximo

P200 = Porcentaje (subrasante) pasando la malla #200EROD – Indice de erodibilidad

6)/*(*5*1(**0. 200512C

serod

toondulamien PsDiashumedoPLogCLogCMaxEscal

C1 = 1.29 C2 = 1.1

C5 = 250 C6 = 0.40

C7 = 1.20 C8 = 400

)*( 25.02112 FRCCC

Predicción de Desnivel (Escalonamiento), cont.• Calcular el incremento de escalonamientos al final de

cada mes:

Fault = incremento de escalonamientosFaultMax = Escalonamiento máximoFAULT = Escalonamiento cumulativo al comienzo de mes DE = Energia diferencial ( Para todos los tipos de eje y nivel

de carga)

C3= 0.001725 C4 = 0.0008

nDEFaultFaultMaxCFault *)(* 234

)*( 25.04334 FRCCC

Predicción de Desnivel (Escalonamiento), cont.

• Calcular desnivel (escalonamiento) acumulado al final de cada mes:

dondeFAULTl+1 = Escalonamientos al final de mesFAULTl = Escalonamientos al comienzo de mesDFAULT = incremento de escalonamientos

DFAULTFAULTFAULT ll 1

11

Rugosidad del Pavimento

• Predecir la rugosidad (IRI) como función de la rugosidad al construir, daños, factores de localidad y cantidad de parches

00

Tiempo

IRIIRI=f(Daño)

IRIi

Predicción de la Rugosidad

• La rugosidad depende de:– Rugosidad inicial — especificaciones– Deterioro de Fallas — roturas, fisuras

transversales deterioradas– Efectos provocados por las intervenciones

de mantenimiento — parchado– Efectos provocados por condiciones propias

de la zona — subrasante y clima• El modelo predice la pérdida de rugosidad

utilizando incrementos

Modelo de Rugosidad JPCP (Empirico)

IRI = IRII + 0.8203*cracking + 0.4417*Spalling + 1.4929*Faulting + 25.24*SF

whereIRII = IRI inicialPUNCH = Número de roturas de severidad media a altaPATCH = Número de parches (flexibles o rígidos) de

severidad media a altaSF = Factor del sitio (localidad)

= EDAD*(1 + FI)(1 + P0.075)/106

EDAD = edad del pavimento en añosFI = Índice de congelamiento, días oCP0.075 = porcentaje de material en el subrasante

pasando la malla de 0.075 mm

12

Pavimento de ConcretoReforzado Continuo (CRCP)

13

Modelo de Roturas (Punchouts) PCCRInicio de fisuras

Tráfico

Orilla del pavimento

Fisura transversal deteriorada

Punchout

Huellas de neumáticos

Perdida de apoyo

Espacio entre fisuras

1

2

3

4

Pasos Involucrados en los Modelos MEPDG de Daño

1. Dividir el periodo total de diseño en incrementos de tiempo (por edad y temporada)

2. Determinar el espaciamiento entre fisuras promedio

3. Determinar el ancho promedio de las fisuras para cada incremento de tiempo durante el periodo de diseño

4. Determinar la eficiencia de la transferencia de cargas para cada incremento mensual

5. Determinar el daño para cada incremento de carga y tiempo

Modelos Utilizados para el Cálculo de Daños

• Caracterización estructural del PCCR– Modelo de elementos finitos (MEF)

• esfuerzos• deformaciones

– Modelos Teóricos• Espaciamiento entre fisuras• Ancho de las fisuras• Pérdida de eficiencia en la transferencia de carga

14

Acumulación de Daños

i j k l m n ijklmn

ijklmn

N

nfatigaporDano

donde:nijklmn = Número de cargas aplicadas en condición i,j,k…Nijklmn = Número de aplicación de cargas permitido en condición i,j,k…

i = Edad j = Temporadak = Combinación de ejes l = Nivel de cargam = Gradiente de temperatura n = Trayectoria del tráfico

1*0.222.1

total

rMLogN

*

****

*****

**** *

*

*****

** * *** ***

*****

****

****

***

* ** *

*1E+07

1E+06

1E+05

1E+04

1E+03

1E+02

1E+01

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

AASHOExtended AASHO(not used in dev.)

CORPS

Num

ero

de r

epet

icio

nes

Ratio esfuerzo/MR, (/MR)

Modelo de Fatiga Recalibrado para el Daño Esperado

4.0*41

3.106

dano

Punchout

Correlación de daños

El daño acumulado en cada incremento esta correlacionado a los “punchouts” en campo, basados en el modelo calibrado para daños y utilizando información del desempeño de pavimentos del LTPP

15

Rugosidad del Pavimento

• Predecir la rugosidad (IRI) como función de la rugosidad al momento de la construcción, daños, factores propios de la zona, y parchado.

00

Tiempo

IRIIRI=f(Daños)

IRIi

Modelo de Rugosidad PCCR (Empírico)IRI = IRII + 5.04*PUNCH + 28.35*SF

DondeIRII = IRI inicial PUNCH = Número de severidad media a alta roturas/km PATCH = Número de parches flexibles o rígidos de

severidad media a altaSF = Factor de la zona

= EDAD*(1 + FI)(1 + P0.075)/106

EDAD = edad de pavimento, añosFI = Índice de congelamiento, oC díasP0.075 = Porcentaje de subrasante pasando la malla de 0.075 mm

Modelo de Rugosidad del PCCR, cont.

SF = factor de la zona = AGE*(1 + FI)(1 + P0.075)/106

Donde:EDAD = edad de pavimento, añosFI = Indice de congelamiento, oC diasP0.075 = porcentage de material subrasante

pasando la malla de 0.075 mm