Descripcion Funcional de Los Tipos de Pavimentos,sus capas y modos de falla

8/20/2019 Descripcion Funcional de Los Tipos de Pavimentos,sus capas y modos de falla.

http://slidepdf.com/reader/full/descripcion-funcional-de-los-tipos-de-pavimentossus-capas-y-modos-de-falla 1/45

Descripción funcional de los

tipos de pavimentos, sus capasy modos de falla.

Conception et dimensionnement des structures de chaussée.

Ministère de l’Equipement, des Transports et du Tourisme –

SETRA – LCPC (Décembre 1994).

11/02/2016 LUIS RICARDO VÁSQUEZ VARELA, M.Sc. 1

Universidad Nacional de Colombia

Sede Manizales

Facultad de Ingeniería y Arquitectura

Departamento de Ingeniería Civil

Pavimentos. Profesor: Luis Ricardo Vásquez Varela, M.Sc.



Introducción.

• Los pavimentos se han agrupado encuatro tipos principales:

– Pavimentos flexibles.

– Pavimentos rígidos.

– Pavimentos semirrígidos.

– Pavimentos semiflexibles.

• Esta clasificación tradicional parecebasarse en el comportamiento de la

estructura (“rigidez”), pero realmenteestá asociada con los materialesconstitutivos del pavimento.

• En este curso se adopta laclasificación propuesta por la GuíaFrancesa de Diseño de 1994.

• Esta clasificación considera 10 tiposde estructuras de pavimento: cinco

con capas asfálticas y cinco deconcreto hidráulico.

• Se basa en el comportamiento delperfil y los materiales constitutivosdel pavimento de acuerdo con:

– El efecto de las cargas de tránsito.

– El efecto del clima sobre los materiales.

– La evolución del daño del pavimento.




Pavimentos flexibles.• Pavimentos compuestos de subbase y

base granulares no tratadas ocementadas.

• La superficie de rodadura estácompuesta por capas asfálticas conespesor inferior a los 150 mm., inclusopuede ser un tratamiento superficialcon agregados o un riego asfáltico paracontrolar el polvo.

• Pavimentos articulados o de adoquines:

– Por su forma de trabajo estructural bajo laacción de las cargas de tránsito puedenconsiderarse como flexibles, aunque losadoquines son elementos de alta rigidez.


http://www.pavementinteractive.org/article/structural-designpavement-structure/

http://www

.pavingexpert.com/blocks.htm

Bloques delborde de capa

Bloques en patrón deespina de pescado

Lecho de concreto de100 a 150 mm.

Geotextil opcionalsobre la subrasante

Subrasante preparada Mínimo 100 mm desubbase granular

Capa de arenade 25 – 40 mm


http://www.pavingexpert.com/blocks.htm







http://www.pavesquad.com/images/c20.jpg

http://pavingatlanta.com/Portals/164977/images/asphalt%20pavement.jpg








http://www.azendra.com/wp-content/uploads/2014/07/Adoquines3.jpg

http://www.icpi.org/sites/default/files/images/Hong_Kong_airport_2.preview.jpghtt

p://thatslikewhoa.com/wp-content/uploads/2012/09/paving-machine1.jpeg


http://www.icpi.org/sites/default/files/images/Hong_Kong_airport_2.preview.jpg

http://thatslikewhoa.com/wp-content/uploads/2012/09/paving-machine1.jpeg



http://www.icpi.org/sites/default/files/images/Hong_Kong_airport_2.preview.jpg




Pavimentos rígidos.• Estos pavimentos están constituidos por una

losa o placa de concreto de cementoPórtland construida sobre capas de base ysubbase.

• Las características de retracción del concretohidráulico y los esfuerzos térmicos inducidospor el clima obligan a seccionar el concretomediante juntas transversales ylongitudinales.

• La capa de subbase es opcional, pues elelemento estructural principal es la losa de

concreto hidráulico.

• En ocasiones, la capa de base puede sertratada para garantizar su carácter noerodable o erosionable en presencia de aguay cargas de tránsito pesadas y frecuentes.


http://onlinemanuals.txdot.

gov/txdotmanuals/pdm/pavement_types.htm

Subrasante (Suelo existente).

Capa de subbase (de ser necesaria).

Capa de base (no erosionable).

Losa de concreto (con juntas)

Junta

transversal.

Juntalongitudinal. Berma rígida

anclada.

http://onlinemanuals.txdot.gov/txdotmanuals/pdm/pavement_types.htm





• Pavimento de concreto simple (sin acero de refuerzo) y con juntas.

– Losas entre 3.0 y 6.0 metros de longitud.

– Transferencia de carga en juntas transversales:

• Mediante fricción o trabazón de agregados.

• Mediante dovelas o barras pasajuntas de acero liso y engrasadas.

– Conexión entre carriles en las juntas longitudinales:

• Barras de acero corrugado como anclajes.


J u n t a

l o n g i t u d i n a l

Juntas transversales

Losas de concreto simple (no reforzado).

TráficoDovelas

Barras de anclaje

h

Sección AB

A B




http://www.civildb.com/images/reinforced-concrete-road-pavement-540x405.jpg

http://www.metalforms.com/Content/files/ProductImages/concretePavingForms.jpg











http://www.dot.state.oh.us/Divisions/ConstructionMgt/OnlineDocs/2009MOP/450%20Rigid%20Pavement/451/451%20REINFORCED%20PORTLAND%20CEMENT%20CONCRETE%20PAVEMENT.htm

http://www.aurecongroup.com/~/media/Images/Aurecon/Web_structure/Projects/CDI/Ultra-

thin%20Reinforced%20Concrete%20Project/Ultrathin%20Reinforced%20Concrete%20Project%209%20963x492.jpg?mh=340&mw=665


http://www.aurecongroup.com/~/media/Images/Aurecon/Web_structure/Projects/CDI/Ultra-thin%20Reinforced%20Concrete%20Project/Ultrathin%20Reinforced%20Concrete%20Project%209%20963x492.jpg?mh=340&mw=665







http://weeconstruction.com/wp-content/uploads/2012/03/SAM_1327.jpg





Losas prefabricadas en sistemas

de pavimento rígido convencional

o con pre tensionamiento.


http://www.theconcreteproducer.com/Images/tmpA291.tmp_tcm77-

1868378.jpg?width=600

https://reader012.{domain}/reader012/html5/0807/5b6983b8cf8d0/5b6983c547d6e.jpg

http://www.theconcreteproducer.com/Images/tmpA291.tmp_tcm77-1868378.jpg?width=600


http://www.fhwa.dot.gov/pavement/concrete/pubs/if09008/images/fig3.jpg

http://www.fhwa.dot.gov/pavement/concrete/pubs/if09008/images/fig3.jpg




• Pavimento de concreto continuamente reforzado.

– Se genera un patrón de fisuras transversales amarradas por el acero de refuerzo.

• El espaciamiento de las fisuras debe estar en un rango tal que no se desprendan pequeñospedazos del pavimento o se generen segmentos muy grandes de concreto.

– Conexión entre carriles en las juntas longitudinales:

• Barras de acero corrugado como anclajes.


J

u n t a

l o n g i t u d i n a l

Losas de concreto reforzado

TráficoBarras de anclaje

h

Sección AB

A B

Fisuras de retracción




http://www.fhwa.dot.gov/pavement/concrete/pubs/hif12039/images/fig_2.jpg

http://onlinemanuals.txdot.gov/txdotmanuals/pdm/images/Figure_8_1.JPG









Pavimentos semirrígidos ysemiflexibles.• Pavimentos semirrígidos:

– Estructuras que combinan capasasfálticas con capas tratadas con

ligantes hidráulicos.

• Pavimentos semiflexibles:

– Estructuras que incluyen varias capasde concreto asfáltico como rodadura(wearing), intermedia (binder) y base

asfáltica (base). Superan los 150 mmde espesor de material asfáltico.

– Podría aplicarse a pavimentos concapas granulares mejoradas conemulsión asfáltica.


Philip J. Fry, personaje creado por Matt Groening. Texto : LRVV, 2015.



• La clasificación de los pavimentos como flexibles, semiflexibles,semirrígidos y rígidos confunde la definición del comportamientoestructural (rigidez) con los materiales de constitución (asfalto, cemento).

• Considere lo siguiente:

– El concreto asfáltico, como un material elástico lineal, tiene un módulo deYoung del orden de 4 GPa a 20°C y 10 Hz.

– El concreto de cemento Pórtland, como un material elástico lineal, tiene unmódulo de Young entre 21 y 28 GPa sin dependencia de la temperatura o lafrecuencia de carga.

• ¿Cuándo se pasa de ser flexible a rígido en un rango tan amplio? ¿Cuálesson las fronteras que definen los tipos intermedios, es decir, semiflexible ysemirrígido?




DESCRIPCIÓN FUNCIONAL DE LASCAPAS DE PAVIMENTO.

Definición de un pavimento y sus partes constitutivas.




Descripción funcional de las capas

de pavimento.• Los pavimentos son estructuras conformadas por múltiples capas

construidas sobre una plataforma que puede ser:

– El suelo de subrasante.

– Una capa de conformación.

• Capa de conformación: Transición entre el suelo y las capas de pavimento.

– Protege el suelo y permite el paso de la maquinaria durante la construcción(transporte de materiales y conformación).

– Permite mejorar y homogeneizar el terreno.

– Ofrece protección contra procesos de congelamiento.




Parte superior del movimiento de tierras.

Cota del movimiento de tierras.

Plataforma de apoyo del pavimento.

Berma.

Rodadura.Enlace.

Base.

Sub-base.

Capas superficiales.

Capa de apoyo.

Capa de conformación.

Suelo de soporte.≈1 metro




Cuerpo del pavimento.

• Capas de apoyo: subbase y base.

– Materiales seleccionados o incluso cementados (tratados) paravías de alto tráfico.

– Aportan la resistencia mecánica frente a las cargas verticalesinducidas por el tráfico.

– Distribuyen las presiones en la plataforma de soporte con el finde mantener las deformaciones en niveles admisibles.

– En pavimentos de poco tráfico es viable que la subbase seconstituya con suelo mejorado in situ.




• Capas superficiales.

–

Capa de rodadura:

• Capa superior del pavimento que sufre la agresión conjugada del tráfico y el clima.

• Sus características dependen del uso esperado del pavimento.

• Impermeabiliza el pavimento.

– Capa de enlace o unión (de requerirse):

• Transición entre la rodadura y las capas de apoyo.

– En la interfase entre la capa de superficie y la capa de base se instalan

los mecanismos anti-reflexión de fisuras para capas tratadas con

ligantes hidráulicos.




• Ejemplo de un pavimento para bajos volúmenes de tránsito:

– Rodadura de materiales asfálticos como única capa superficial.

– Subbase a partir de suelo mejorado in situ.

– No se construye capa de conformación.





Berma.

Rodadura.

Base.

Sub-base: Suelomejorado in situ.

Capas superficiales.

Capa de apoyo.




• Ejemplo de un pavimento de concreto de cemento Pórtland:

– La capa superficial y la capa de apoyo corresponden a la losa de concreto de cementoPórtland.

• Una capa de rodadura asfáltica sobre un pavimento de concreto bien construido no ofrece unbeneficio sustancial a la estructura.

– Se recomienda disponer de una capa de subbase granular.

– La capa de conformación se construiría a discreción, según las necesidades del proyecto.





Berma.

Rodadura / Base:Losa de concreto de

cemento Pórtland.

Sub-base.

Capa de apoyo.


Capa de conformación.

Junta longitudinal



FUNCIONAMIENTO Y MODO DE FALLADE LOS DIFERENTES TIPOS DEPAVIMENTOS.

Efecto del medio ambiente y el tránsito sobre los pavimentos.


http://training.ce.washington.edu/wsdot/Modules/09_pavement_evaluation/Images/rigid_distress/pumping2.jpg

http://www.roadscience.net/sites/default/files/styles/distress_guide_items/public/Rutting.jpg?itok=Yxcpb0Uh







Evolución y degradación de los

pavimentos.• Repetición de cargas de tráfico.

• Agentes climáticos.

• Paso del tiempo (el pavimento “envejece”).

Es importante conocer la naturaleza y forma del deterioro de los pavimentospara:

• Comprender el funcionamiento de las estructuras.

• Elegir el modelo de cálculo apropiado.

• Ajustar los resultados de los cálculos considerando los aspectos malrepresentados del modelo.




• Daños de la capa de rodadura:

– Desgaste debido a los esfuerzos tangenciales causados por el tráfico.

– Ahuellamiento por flujo en condiciones excesivas de temperatura y

solicitaciones de tráfico.

– Agrietamiento por fatiga debido a una mala adherencia de la capa derodadura asfáltica con el apoyo.

– Agrietamiento por reflexión de fisuras de las capas de apoyo(cementadas).

– Agrietamiento por fatiga térmica debido al envejecimiento del asfalto.


Desgaste asociado con el tráfico





Ahuellamiento y agrietamiento por fatiga.

http://www.asphaltwa.com/wp-content/uploads/2010/09/ravel1.jpg

Desgaste asociado con el tráfico.

http://www.pavementinteractive.org/wp-content/uploads/2008/05/Mvc-037s.jpg

Ahuellamiento sin agrietamiento.

Agrietamiento por fatiga bajo cargas











Agrietamiento por fatiga bajo cargas.

Reflexión de grietas.

http://www.roadscience.net/sites/default/files/styles/distress_guide_items/public/Reflective%20cracking.jpg?itok=FfsT2HCw

http://oldsite.pvpc.org/PVPC/imgs/transportation/block_crack.gif

http://www.roadscience.net/sites/default/files/styles/distress_guide_items/public/fatigue%20cracking%202.jpg?itok

=5uV4Bu-b

Agrietamiento por fatiga térmica.



http://www.roadscience.net/sites/default/files/styles/distress_guide_items/public/fatigue%20cracking%202.jpg?itok=5uV4Bu-b








• Daños de las capas de apoyo tratadas con ligantes.

– Agrietamiento por fatiga debido a la repetición de esfuerzos detracción por flexión al paso de las cargas.

– Agrietamiento por retracción térmica de gravas tratadas con liganteshidráulicos (cemento).

– Las losas de concreto de cemento Pórtland son capa de rodadura ycapa de apoyo a la vez:

• Agrietamiento debido a gradientes térmicos en losas de concreto.

• Bombeo y escalonamiento de las losas en las capas que presentan grietas deretracción o en las juntas, debido a una mala calidad en la transferencia decarga o la erodabilidad del apoyo.


Fisuración lineal por combinación de factores operativos y ambientales




Fisuración por gradiente térmico.

h t t p : / / c i v i l - o n l i n e 2 0 1 0 . b

l o g s p o t . c o m

/ 2 0 1 0 / 0 9 / t h e r m a l - c r a c k i n g - o

f -

c o n c r e t e . h t m l

http://www.wsdot.wa.gov/NR/rdonlyres/64DF2B05-52CF-4BD4-88A6-A653DDECF885/0/crackedpanel510px.jpg

Fisuración lineal por combinación de factores operativos y ambientales.


Bombeo en grietas y fisuras.

http://civil-online2010.blogspot.com/2010/09/thermal-cracking-of-concrete.html






















































































http://www.pavementinteractive.org/article/faulting/












Common Distresses in Rigid Pavements, Maintenance Technical Advisory Guide (MTAG). Caltrans.



• Daños de las capas de apoyo no tratadas y de la capas de soportedel pavimento.

– Deformación permanente de la estructura debido a la acumulación dedeformaciones plásticas.


http://onlinemanuals.txdot.gov/txdotmanuals/pdm/destructive_evaluation_of_pavement_stru

ctural_properties.htm

http://www.fhwa.dot.gov/publications/publicroads/10septoct/03.cfm





TIPOS DE ESTRUCTURAS DEPAVIMENTO.

Familias de pavimentos y su comportamiento.


http://www.apao.org/images/pringlecrew.jpg





Efecto general de las condiciones

ambientales en los pavimentos.

• Se presentan para todos los tiposde estructuras.

– Reducción de la capacidad portante

por las variaciones en la condiciónhídrica de subrasantes sensibles alcambio de humedad.

– Se presenta mayor severidad del

proceso cuando las condiciones dedrenaje e impermeabilización de lacapa superficial no son adecuadas.


http://safety.fhwa.dot.gov/local_rural/training/fhwasa09024/images/drainage

4.jpg

http://safety.fhwa.dot.gov/local_rural/training/fhwasa09024/images/drainage4.jpg





1. Pavimentos flexibles.

• Capa superficial en material asfáltico (o tratamiento superficial).

• Material asfáltico de apoyo (< 15 cm).

• Materiales granulares no tratados (20 a 50 cm).

• Plataforma de soporte.


• Esfuerzos debidos al tráfico: – Se presentan esfuerzos importantes en la subrasante porque los materiales granulares no tratados son poco

rígidos.

• Influencia de las condiciones ambientales: – Es sensible a la condición hídrica de la fundación (efecto de borde) y la pérdida de capacidad portante.

•

Evolución del daño: – Se presentan ahuellamientos, depresiones y subsidencias como deformaciones permanentes (plásticas).

– Los esfuerzos cíclicos de flexión (tránsito) causan grietas aisladas que luego se unirán en un patrón cerrado(fatiga).

– Las grietas permiten la entrada de agua a la estructura, la pérdida de material y la formación de huecos.



2. Pavimentos asfálticos gruesos.

•

Capa superficial en material asfáltico.

• Material asfáltico de apoyo (15 a 40 cm).



•

Esfuerzos debidos al tráfico: – La rigidez de las capas de base reduce el esfuerzo vertical que llega a la subrasante.

– Los esfuerzos de tracción por flexión son altos en las fibras inferiores de las capas cementadas.

– El comportamiento estructural depende de la unión (continuidad) entre las capas asfálticas.

• Influencia de las condiciones ambientales:

– Comportamiento similar al de los pavimentos flexibles.

– Ahuellamiento por flujo de las capas asfálticas a altas temperaturas y bajo tráfico pesado (mal diseño de la mezcla).

• Evolución del daño:

– Este tipo de pavimento requiere mantenimiento permanente.

– Se desarrollan fisuras longitudinales, las cuales evolucionan en áreas fisuradas, pérdida de material y cambio en larespuesta estructural.

– Se observa poca deformación permanente en condiciones normales de tránsito, diseño y construcción.



3. Pavimentos con capas de apoyo tratadas

con ligantes hidráulicos o “semi – rígidos”.•

Capa superficial en material asfáltico (6 a 14 cm).

• Materiales tratados con ligantes hidráulicos (20 a 50 cm).



• Esfuerzos debidos al tráfico:

– La alta rigidez de los materiales genera menor esfuerzo vertical en la subrasante.

– La capa de base tratada sufre de importantes esfuerzos de tracción por flexión en su fibra inferior.

– El comportamiento depende de la continuidad de la base y la subbase tratadas (calidad de construcción).

– La capa asfáltica está sometida a esfuerzos normales y horizontales de corte.

• Influencia de las condiciones ambientales: – Los materiales tratados sufren de contracción térmica y retracción de fraguado.

– Se generan grietas transversales en la superficie (@ 5 a 15 m) con anchos variables.

– Se concentran los esfuerzos en las fisuras, ingresa el agua y se deterioran los materiales tratados.

• Evolución del daño: – Bajo superficies asfálticas delgadas, el agua ingresa, se deteriora el material y se generan huecos.

– Se debe controlar la generación de grietas de retracción o generar un pre-agrietamiento.

– A largo plazo se forman grietas longitudinales (fatiga) que se conectan con las transversales.



4. Pavimentos con estructura mixta o

“compuestos”.Relación entre el espesor de la capa asfáltica y el espesor total es cercano a ½.

• Capa superficial en material asfáltico.





• Esfuerzos debidos al tráfico: – La unión entre la capa asfáltica y la base tratada con ligante hidráulico se degrada con el tiempo y las capas actúan

con flexión independiente.

– Hay concentración de esfuerzos en las fisuras de retracción.

• Influencia de las condiciones ambientales: – La capa tratada con ligantes hidráulicos sufre retracción, aunque su gradiente térmico es atenuado por la capa

asfáltica superior.


– El comportamiento es bueno en general.

– Aparece un agrietamiento transversal fino.

– Sobre una mala fundación se pueden observar grandes depresiones.



5. Pavimentos de estructura inversa.

• Capa superficial en material asfáltico.


• Materiales granulares no tratados (≈12 cm).




• Esfuerzos debidos al tráfico: – La capa tratada con ligante hidráulico provee rigidez a la estructura.

– La capa asfáltica sufre flexión en su fibra inferior, la cual depende del espesor y rigidez de la capa granular notratada.

– La capa granular no tratada está sujeta a esfuerzos importantes y se requiere agregado de buena calidad y contrituración.

• Influencia de las condiciones ambientales: – Pueden verse los efectos de retracción y esfuerzos térmicos descritos para materiales tratados con ligantes

hidráulicos.


– Ligero ahuellamiento y agrietamiento transversal de fatiga en la capa asfáltica.

– No se ha observado relación entre las grietas de la subbase tratada y la rodadura asfáltica. La capa de base notratada es un mecanismo anti – reflexión de grietas efectivo.



6. Losas sin dovelas sobre subbase.

• Concreto de cemento Pórtland (20 a 28 cm).

• Concreto de baja resistencia (12 a 18 cm) o materiales tratados con ligantes hidráulicos

(15 a 20 cm).



7. Losas con dovelas sobre subbase.


• Concreto de baja resistencia (14 a 22 cm).




8. Losas sin subbase.


• Capa drenante (materiales granulares o geotextil).



9. Concreto continuamente reforzado (1).


• Concreto de baja resistencia (12 a 14 cm).




10. Concreto continuamente reforzado (2).


• Material asfáltico de apoyo (5 cm).

• Arena tratada con ligantes hidráulicos (50 a 60 cm).





Características generales de los pavimentos

de concreto.• Todos los pavimentos de concreto

pueden incluir una sobrecapaasfáltica que actuaría como capa derodadura.

• Esfuerzos debidos al tráfico:

–

La alta rigidez del concreto de cementoPórtland hace que la losa asuma granparte de los esfuerzos debidos altránsito mediante flexión.

– El concreto de cemento Pórtland sufreprocesos de retracción de fraguado ycontracción térmica, por lo cual seconstruyen juntas o se dispone refuerzoque mantenga las grietas cerradas.

– En pavimentos con juntas transversalesse requieren mecanismos detransferencia de carga entre losas.

• Influencia de las condicionesambientales:

– Los esfuerzos debidos a condicionesambientales pueden ser mayores queaquellos debidos al tráfico.

– Se presentan esfuerzos de fricción con

el apoyo y esfuerzos de alabeo por losgradientes diarios de temperatura.


– Se presenta agrietamiento por losesfuerzos de tracción debidos a la

flexión bajo cargas.

– Se presenta bombeo en juntas y grietaspor presencia de agua, frecuentescargas pesadas y soporte erodable.

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