Colombia - lanamme.ucr.ac.cr · Ranking: 5th-8th in Latinoamérica. ... El mundo es incierto ... Universidad del Magdalena – Uniandes – Lanamme UCR. 16/08/2017 9

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San José de Costa Rica, 22-24 de Mayo de 2013

San José, Costa Rica Julio 27-28 2017

Importancia de Incorporar Conceptos de Incertidumbre en la Ingeniería de Pavimentos

Silvia Caro

Departamento de Ingeniería Civil y AmbientalUniversidad de los Andes (Bogotá, Colombia)

Colombia

1’038,700 km2 (aprox. 22 veces el tamaño de Costa Rica)

45 millones de habitantes

Capital: Bogotá D.C.

San José, Costa Rica Julio 27-28, 2017

Colombia

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Bogotá DC

2600 msnm

7.5 millones de habitantes

Temperatura: [7ºC-22ºC]

Periodo lluvias: Marzo - Mayo

Bogotá


Fundada en 1948 (actualmente 17,000 estudiantes approx.).

Ranking: 5th-8th in Latinoamérica.

Clasificada como primera en Colombia.

Programas ingeniería ABET acreditados.

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental: 2,000 estudiantes

28 profesores de planta

Uniandes

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Grupo de InvestigaciónGeomateriales y Sistemas de Infraestructura - GeoSI

Mauricio Sánchez

Bernardo Caicedo

Nicolás Estrada

Silvia Caro

Miguel Ángel Cabrera

Uniandes


Accelerated Loading Facility

Laboratorio Integrado de Ingeniería Civil y Ambiental

Uniandes

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Thermostatic

Bath

High Air

Pressure

System

Relative Humidity

Recirculation Unit

Climatic

Chamber


Hollow Cylinder Tester for Asphalt-Mixtures (HCT-AM)

Uniandes


Centrífuga para modelación física en geotecnia

Uniandes

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GeoSI - estudiantes graduados

Uniandes



Volviendo a lo que vinimos….

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El mundo es incierto….

¿Qué nos hace pensar que la ingeniería de pavimentos no lo es?

Y si reconocemos su incertidumbre, ¿qué estamos haciendo para cuantificarla?

http://www.intodmentia.com/videos/


Componente Fuente

Materiales

Caracterización de los suelos naturales (subrasante)Calidad y variabilidad de las fuentes de materialesCalidad y variabilidad de los materiales en sitioPropiedades finales de los materiales en campo

Procesos Constructivos

Control de calidad de la construcción (compactación)

Espesor final de las capas

CargaEspectro de carga

Interacción pavimento-llanta

Clima

Regímenes térmicos

Regímenes de agua (lluvias,sequías, etc.)

Efectos de envejecimiento

Fuentes de incertidumbre en ingeniería de pavimentos

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Temporada de lluvias 2010

Barrancabermeja (Colombia)



Temporada de lluvias 2011

Bogotá (Colombia)

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Componente Fuente

Materiales

Caracterización de los suelos naturales (subrasante)Calidad y variabilidad de las fuentes de materialesCalidad y variabilidad de los materiales en sitioPropiedades finales de los materiales en campo

Procesos Constructivos

Control de calidad de la construcción (compactación)

Espesor final de las capas

CargaEspectro de carga

Interacción pavimento-llanta

Clima

Regímenes térmicos

Regímenes de agua (lluvias,sequías, etc.)

Efectos de envejecimiento




Variabilidad en las Propiedades de los Materiales Disponibles para la Construcción de Vías

Caso de Asfaltos Colombianos

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Colombia es productor de asfalto:

Aprox. 810,000bbl/día(26th en el mundo)

El país consume 1/3 de la producción y exporta el resto.

El crudo se procesa en tres refinerías, dos de las cuales producen asfalto.


Producción de asfalto en Colombia:

Las ‘dietas’ de los crudos a refinar cambian frecuentemente (¿impacto en la calidad final del material?).

El asfalto se clasifica con base en el ensayo de Penetración (?)

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Clasificación de asfaltos basada en Penetración:

Indicador de ‘dureza del material’.

Ignora la susceptibilidad térmica del material.

No captura la complejidad química –reológica del material.

¿Qué tan variables son las propiedades fundamentales del asfalto que se emplea en pavimentación en Colombia?


18 muestras de asfalto colombiano clasificado como 60-70 [1/10 mm] de la principal refinería de Colombia

Ensayos básicos y ensayos de caracterización avanzados (reología, termodinámica, química)

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Caracterización básica: penetración

50

55

60

65

70

75P

enet

rati

on

(1/1

0 m

m)

Muestra asfalto


Caracterización básica: punto de ablandamiento

46

48

50

52

54

56

58

Pu

nto

de

ab

lan

dam

ien

to (

°C)

Muestra Asfalto

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Energía superficial libre (ESL): propiedad termodinámica relacionada con la resistencia a la fractura y la capacidad de adhesión:

0

5

10

15

20

ESL

(erg

s/cm

2 )

Muestra de Asfalto


Módulo dinámico de corte (G*) – curvas maestras (25ºC)

1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E+06

1,0E+07

1,0E-04 1,0E-02 1,0E+00 1,0E+02

|G*

| (P

a)

Frecuencia reducida (Hz)

"06-13"

"09-13"

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13


5,0E+05

1,0E+06

1,5E+06

2,0E+06

2,5E+06

3,0E+06

03-1

3

04-1

3

05-1

3

06-1

3

07-1

3

08-1

3

09-1

3

12-1

3

03-1

4

04-1

4

08-1

4

09-1

4

02-1

5

04-1

5

05-1

6

08-1

6

11-1

6

01-1

7

|G*|

(P

a)

Muestras de Asfalto

Módulo dinámico de corte (G*) [10Hz, 25ºC]:


Composición química:

0.0010

0.0012

0.0014

0.0016

0.0018

0.0020

0.0022

0.0024

0.010

0.011

0.012

0.013

0.014

0.015

0.016

0.017

0.018

03-1

3-

05-1

3-

03-1

4-

09-1

4-

02-1

5-

04-1

5-

05-1

6-

08-1

6-

Ca

rbon

yl in

de

xSu

lfo

xide

in

de

x

Asphalt

Sulfoxide Index

Carbonyl Index

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Composición química (estudios previos):

Fecha de muestreo

Po

rce

nta

je (

%)

asfaltenos

saturados

resinas

aromáticos

ceras

Arenas (2008)


Variabilidad de las propiedades de asfaltos Pen 60-70:

PropiedadCoeficiente de variabilidad entre muestras COV (%)

Penetración 5.5%

Punto de ablandamiento 4.3%

Módulo dinámico (G*) 19-25%

Energía Superficial Libre (SFE) 20%

Adhesión con diferentes agregados

43 – 52%

Índice de carbonilos 22%

Índices de sulfóxidos 15.6%

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Baja variabilidad en las propiedades básicas entre muestras de asfalto Pen 60-70: oculta la variabilidad real de las propiedades fundamentales material.

Sistemas de clasificación de asfaltos: pasar de sistemas basados en indicadores a sistemas basados en desempeño (performance-based).

La falta de homogeneidad en las propiedades del asfalto: impacto en el desempeño de las mezclas asfálticas. Mejoras en proceso de producción (en proceso)!

Conclusiones


Variabilidad en las propiedades de RAP de diferentes fuentes

Caso Bogotá

Reclaimed

Asphalt

Pavement

Es el producto de la trituración de capas asfálticas deterioradas, que se puede utilizar para la elaboración de nuevas vías.

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RAP de diferentes fuentes: alta variabilidad

(West, 2010)


Caso Bogotá: Acopio al aire libre

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6 muestras del acopio de RAP de la ciudad de Bogotá:

(Carrizosa y Calvo 2016)


Condiciones apropiadas de acopio del RAP:

(West, 2010)

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0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0,01 0,1 1 10 100

% P

asa

Tamaño del tamiz [mm]

RAP 1

RAP 2

RAP 3

RAP 4

RAP 5

RAP 6

Granulometría del RAP

Ausencia de Finos


Penetración del asfalto recuperado del RAP (envejecido):

Asfaltos oxidados

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Penetración del asfalto recuperado del RAP (envejecido):

40

45

50

55

60

65

70

Virgen RAP 1 RAP 2 RAP 3 RAP 4 RAP 5 RAP 6

Pu

nto

de

ab

lan

dam

ien

to °

C

Asfalto


Curva maestra del asfalto recuperado del RAP (envejecido):

1,E+00

1,E+01

1,E+02

1,E+03

1,E+04

1,E+05

1,E+06

1,E+07

1,E+08

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

|G*

| (P

a)

Frecuencia reducida (Hz)

Asfalto virgen

Asfaltos recuperados

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Curva maestra del asfalto recuperado del RAP (envejecido):

0,0E+00

1,0E+06

2,0E+06

3,0E+06

4,0E+06

5,0E+06

6,0E+06

|G*|

[P

a]

Alta variabilidad

[10Hz, 25ºC]


Ensayos de desempeño: fatiga y MSCR (deformación permanente) en morteros asfálticos con 100% RAP:

Alta dispersión entre muestras de RAP!

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Importantes variaciones en las propiedades (y desempeño) del RAP de proveniente de diferentes fuentes de la ciudad.

Si desde el comienzo hay varias fuentes: homogeneizar el material. Si el cambio de fuente ocurre en el transcurso del proyecto, evaluar impacto en el diseño de las mezclas en caliente (altos porcentajes de RAP).

En lo posible, es VITAL usar material de una sola fuente.

Conclusiones


Modelación de la incertidumbre inducida por la heterogenidad natural de los materiales asfálticos

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Agregados

Vacíos

Matriz fina (FAM):

ligante + finos (pasa # 16)

Castillo (2011-2015)

Heterogeneidad de mezclas asfálticas: induce variabilidad e incertidumbre en la respuesta del material!


Estructuras de pavimento:

Subrasante

Base

Mezcla Asfáltica h1

h2

∞

Supuesto de materiales :

homogéneos,

Isotrópicos,

Lineales- elásticos


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Campo de deformaciones horizontales (εh)

-3.08

3.18

εh ×10-4

7 cm

100 cm

Campo aleatorio de vacíos

4.43

10.07

AV [%]

Propiedades lineades - viscoelásticas

6200

11900

Eo [MPa]

Air VoidsLVEStrain (εh)

Capturar el impacto de la heterogeneidad inducida por la compactación:



Distribuciones probables de vacíos en la rodadura

3 14AV [%]

Rodadura

E1 , ν1Capa de base

E2 , ν2Capa de subbase

E3 , ν3Subrasante

En realidad, desconocemos la distribución final de vacíos en las capas compatadas de mezclas

asfálticas!


Construcción de los campos aleatorios de vacíos

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Parte inferior de la carpeta de rodadura

x

1,0E-04

1,2E-04

1,4E-04

1,6E-04

1,8E-04

98 100 102 104 106 108 110

εh

x [cm]

Dispersión en la respuesta


Implementación en Elementos Finitos (EF):


A nivel micromecánico: Generador Aleatorio Microestructural


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A nivel micromecánico: microestructuras aleatorias

Agregados

Matriz fina, FAM

Vacíos



A nivel micromecánico: réplicas (cientos!!)

230 aggregates - 66.03 cm²618 air voids - 7.010 cm²




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A nivel micromecánico: implementación en Elementos Finitos

P


e t = g0D0st +g1 DD y t -yt( )

d g2st( )

dtdt

0

t

ò ; y t =dV

aT0

t

ò

Non-linear viscoelastic-mechanical-moisture damage relationship (Texas A&M – PANDA):

Agregados: lineal elástico

Vacíos: sin capacidad estructural

FAM (mortero): formulación de daño en mecánica de medios continuos:


A nivel micromecánico: resultados mecánicos

Daño(F)

0.0 1.00.5

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A nivel micromecánico: resultados mecánicos

4% vacíos 7% Vacíos

10% vacíos

0,1

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,16

200 250 300 350 400 450 500 550 600

Índ

ice

de

dañ

o

Módulo [MPa]

Granulometrías (NMAS 19.0 mm)


La heterogeneidad es una fuente importante de incertidumbre y variabilidad en la respuesta y desempeño de mezclas asfálticas!

Reconocer y cuantificar las fuentes de incertidumbre: único paso para desarrollar metodologías de diseño basadas en principios de confiabilidad estructural.

Conclusiones

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Gracias

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