Pavimentos De Hormigón O Concreto Con Losas Optimizadas

Pavimentos de Hormigón o Concreto con Losas Optimizadas

Diseño de losas de hormigón o concreto con geometría optimizada

Resumen

Se ha desarrollado una nueva metodología para diseñar pavimentos de hormigón, la cual reduce el espesor de losas optimizando el tamaño de estas, dada la geometría de los ejes de los camiones.

El diseño considera el apoyo sobre una base granular, tratada con cemento o asfáltica. Considera que no existe adherencia entre la base, o pavimento antiguo y la losa de hormigón. El principio fundamental del método de diseño consiste en diseñar el tamaño de la losa para que no más de un set de ruedas se encuentre en una determinada losa, minimizando así la tensión de tracción crítica en la superficie. Se han construido tramos de prueba a gran escala y probado bajo cargas aceleradas con espesores de hormigón de 8, 15 y 20 cm. todas con base granular y sobre capas asfálticas sin adherir. Las pruebas demostraron que una disminución en las dimensiones de la losa permite que siendo de bajo espesor, soporte una cantidad considerable de ejes equivalentes antes de comenzar a agrietarse. Las losas de hormigón sobre bases granulares con un espesor de 20 cm. no mostraron agrietamiento a pesar de haber sido ensayados a mas de 50 millones de EE. Losas de espesor de 15 cm mostraron grietas a los 12 millones de ejes equivalentes en promedio, mientras que las losas de 8 cm de espesor, resistió 75.000 ejes equivalentes antes de las primeras grietas. Además las pruebas realizadas demostraron que las losas de hormigón con fibra pueden soportar hasta 20 veces más tráfico antes de comenzar a agrietarse, así como proporcionar una vida útil más larga una vez agrietadas A partir de esto se ha desarrollado un software de diseño mecánico-empírico llamado OptiPave, que optimiza el diseño geométrico y el espesor de las losas de hormigón considerando las condiciones particulares de cada

proyecto; ya sea clima, tráfico, capa, y materiales. Las tensiones críticas han sido calculadas utilizando el análisis de elementos finitos, para diferentes condiciones de cargas mecánicas y térmicas en diferentes posiciones. El agrietamiento de las losas se determina calculando la fatiga del hormigón y los modelos utilizados por la guía de diseño AASHTO del año 2007 y mediante calibración en secciones de prueba a gran escala. La nueva metodología diseña losas de hormigón que en promedio son 7 cm más delgadas para vías de alto tráfico en relación con el diseño tradicional de pavimentos AASHTO (1993). El método de diseño también es capaz de diseñar de manera eficiente pavimentos de hormigón para vías de menor volumen de tráfico que no son cubiertos con los actuales métodos de diseño de pavimento dando una alternativa a soluciones en asfalto.

1. Introduccion

Las dimensiones típicas de losas de pavimentos de hormigón son de 3,6 m de ancho por 4,5 m de longitud (AASHTO 93) con espesores de entre 15 a 35 cm, dependiendo del nivel de tráfico, el clima y los materiales. El espesor requerido depende principalmente de la carga por eje y el número de repeticiones de carga, resistencia del hormigón, la longitud de la losa, y las condiciones climáticas durante el

curado (alabeo de construcción)

Con el fin de reducir los efectos de la interacción de la carga y las tensiones de alabeo, se ha propuesto una nueva metodología de diseño de losas de hormigón mediante la optimización del tamaño de la losa, definiendo la geometría según el tráfico de camiones esperado (Covarrubias, 2005). En este enfoque de diseño, los tamaños de las losas se eligen de manera tal que no más de un set de ruedas del camión quede sobre una losa. Mediante la distribución de las cargas mecánicas hacia múltiples losas, las tensiones de tracción se reducen, así como las tensiones de alabeo debido a la reducción del tamaño de las losas. Un pavimento diseñado de

esta forma, permite reducir el espesor de la capa de hormigón en hasta 10 cm.

Con el fin de validar este nuevo concepto de diseño, varias secciones de prueba a gran escala fueron construidos y probados en la Universidad de Illinois para entender el modo de falla y resistencia a la fatiga de este sistema. Además, para generalizar el concepto de diseño y los resultados de las pruebas a gran escala para una gran cantidad de variables de entrada, los análisis de tensiones tenían que ser completados para tener en cuenta los casos que no fueron probados directamente. Los resultados de los análisis de tensiones e investigación a gran escala se presentan en este documento y se combinan en el programa computacional de diseño OptiPave. El uso de tamaños de losas más pequeñas y espesores delgados, el diseño del pavimento requiere de otras modificaciones con el fin de lograr la vida de diseño y la serviciabilidad esperada. La siguiente es una lista de ajustes adicionales que se deben considerar al sistema: Debido al mayor número de juntas de contracción y el deseo de no sellar las juntas, una hoja de sierra delgada de menos de 2,5 mm de ancho debe utilizarse para limitar el ingreso de material incompresible en la junta. Debido a la cantidad de juntas de contracción sin sellar es necesario tener una base granular que sea menos susceptible al agua y que reduzca al mínimo la probabilidad de bombeo y por ende escalonamiento. El material de base granular fino que pasa el tamiz de 75 mm debe ser menor al 8% y debe tener un índice CBR mayor a 50%. Debe haber una capa de geotextil entre la base y el suelo natural que actúe como una capa de separación. Este geotextil impide la penetración de la subrasante a la base, así evita la migración de finos de la subrasante a la base. Debido a la gran cantidad de cortes de sierra, la transferencia de carga es realizado principalmente por el roce de los agregados en la junta y por lo tanto, barras de transferencia de carga y barras de amarre no son parte del diseño estándar de este sistema, exceptuando las juntas de construcción. Con el fin de evitar que las losas delgadas se muevan lateralmente, deben estar sujetas en el borde longitudinal con una berma de hormigón, estacas ( o pines) de acero verticales o con incorporación de fibras estructurales las que se han utilizado con éxito en proyectos anteriores. En la actualidad, un sistema de transferencia de carga específica se está estudiando para los diseños de gran volumen.

Normalmente, los pavimentos de hormigón convencionales son de 3,5m a 6 m de largo, los ejes delanteros y traseros aplican carga simultáneamente cerca de las juntas transversales. Esta posición de la carga, induce tensiones de tracción superficiales en la parte superior del pavimento, especialmente cuando la losa está curvada hacia arriba. Si las secciones se cortaran de manera tal que la longitud de la losa resulte en que ni los ejes delantero ni trasero estén simultáneamente sobre la misma sección de la losa (Covarrubias, 2008), las fuerzas de tracción se reducen significativamente en la losa. Las tensiones y deformaciones calculadas en la Figura 1 se basan en un espesor de hormigón de 20 cm, 1500 kg de carga, y un diferencial de -15°C de temperatura.

Figura 1. Comparación de la tensión de tracción de una losa cargada mecánica y térmicamente entre una de 4,5m y 2.25, de longitud

2.1 Configuración de carga para Análisis de Tensiones Para reducir la tensión de tracción superior causada por la carga simultánea de la losa por ejes de dirección, es necesario dimensionar la losa de tal manera que cada rueda, o un conjunto de ruedas, siempre cargue una sola losa diferente tal como se muestra en la Figura 2. Como existen diferentes tipos de configuraciones de ejes de camiones, la geometría está diseña para el tipo de camión que tenga el eje más crítico en la utilización de la carretera. La reducción de tensiones de tracción en la parte superior de la losa permite una vida útil más larga y una reducción en el espesor de la losa en relación con el diseño de pavimentos de hormigón convencional. Se utilizó el programa de diseño de elementos finitos ISLAB2000 para construir un modelo de tensiones que muestre el beneficio de reducir las dimensiones y espesor de la losa, lo que se muestra en la Figura N° 2. Para la configuración de tensiones, se utilizó los siguientes parámetros, 55MPa/m para el valor k, un diferencial de temperatura de -14°C, rigidez del hormigón de 290.000 Kg/cm2, coeficiente de Poisson de 0.25, y el coeficiente de expansión térmica de 1x10-5 /°C.

Figura 2. Comparación entre la dimensión y espesor de losas para tensiones máximas equivalentes en la superficie.

El objetivo de desarrollar el programa computacional de diseño llamado OptiPave, es que será capaz de optimizar el espesor y la geometría de cada losa para cualquier conjunto de clima, materiales, y tráficos. En primer lugar, el tamaño de la losa es seleccionada de tal manera que sólo un set de ruedas se encuentra cargando cada losa, típicamente entre 1,4 m a 2,5 m. Las tensiones se calculan en la parte superior e inferior de la losa, para diferentes condiciones de entrada, es decir, espesor, alabeo, tráfico, tipo de eje, etc. y diferentes configuraciones de carga, como se muestra en la Figura N°3.

Figura 3. Posiciones de carga consideradas por las losas como tensiones de tracción críticas.

Basado en la máxima tensión de tracción, en cada posición de carga, los pasos permitidos para cada condición (Nijk) se calcula en base a la ecuación de la fatiga MEPDG (ARA 2007)

Nijkl= Pasadas permitidas para eje en la posición k, alabeo i (temperatura), nivel de carga j, y tensión crítica en la parte superior e inferior σijkl= Tensiones principales

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