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• Monica Guzman

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Pavimentos Rigidos

Del Ángel Pablo Juan

14500764

Felipe del Ángel José Eduardo

14500833

Guerrero Vázquez Kaztenny Anileth

14500010

Márquez Vicente Jairo

14500785

Sarmiento Lucas Roberto

14501025

4.1 Modulo de ruptura.

16

Determinación

Determinación de la resistencia a la flexión del concreto

E

n este resumen se presentan los lineamientos sobre la determinación de la resistencia a la flexión del concreto usando una viga simple con carga en los tercios del claro conforme a la norma Mexicana NMX-C-191-ONNCCE-2004. Usted puede usarlo para familiarizarse con los procedimientos básicos de la Norma. Sin embargo, este resumen no tiene la intención de remplazar los estudios completos que usted haga de la Norma NMX-C-191-ONNCCE. Esta norma mexicana establece el método de prueba para la determinación de la resistencia a la flexión del concreto, usando una viga con cargas concentradas en los tercios del claro. Para los efectos de esta norma mexicana se establece la siguiente definición: Módulo de ruptura: Es el valor obtenido mediante el procedimiento indirecto para determinar la resistencia a la tensión del concreto por el ensaye a la flexión de una viga. Materiales auxiliares: Franela o tela de yute; marcadores de tinta indeleble y crayones de cera; tiras de cuero de un espesor uniforme de 5 mm a 7 mm, con un ancho de 25 mm a 50 mm, y que cubren todo lo ancho del espécimen. Escuadra, regla y lija de agua de grano fino.

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construcción y tecnología

Equipo, aparatos e instrumentos Máquina de prueba: La máquina de prueba debe cumplir con lo establecido en la norma NMX-C-0-83-ONNCCE. Dispositivo de aplicación de carga: Se debe utilizar un dispositivo capaz de aplicar cargas en los tercios del claro de prueba de tal modo que las fuerzas sean perpendiculares a las caras horizontales de la viga y se distribuyan y apliquen uniformemente en todo lo ancho. Este dispositivo debe ser capaz de mantener fija la distancia entre los puntos de carga y los puntos de apoyo del espécimen con una tolerancia de ± 2 mm; además, las reacciones deben ser paralelas a la dirección de las fuerzas aplicadas durante el tiempo que dure la prueba. La relación de la distancia del punto de aplicación de cada una de las cargas a la reacción más cercana dividida entre la altura de la viga, no debe ser menor de uno. Los bloques para la aplicación de la carga y de apoyo de la viga deben ser de acero del mismo ancho o mayor que el de la viga con una altura que no exceda de 65 mm, medida a partir del centro de giro. La sección de cada uno de los bloques que entran en contacto con la viga, deben ser cilíndricos con las superficies endurecidas, teniendo en cuenta que la línea de contacto de estas superficies no deben variar en más de 0,05 mm, con relación a un plano tangente a las mismas. El radio de curvatura de estas superficies debe tener como centro el eje del rodillo del apoyo o el centro de la rotula. La superficie curva de cada bloque de aplicación de carga debe ser la correspondiente a un sector cilíndrico de cuando menos 0,785 radianes (45°). Los bloques de aplicación de carga deben mantenerse alineados en posición vertical, por medio de mecanismos de presión que pueden ser tornillos con resorte que los mantengan en contacto con los rodillos o rótulas de acero. Puede suprimirse el rodillo y la rótula de acero de los bloques de apoyo, cuando el bloque de apoyo de la máquina de prueba sea de asiento esférico, siempre que en

Figura 1: Aparato para la prueba de resistencia a la flexión con carga en los tercios del claro

los bloques de aplicación de la carga se use un rodillo y una rótula de acero pivoteada, (Véase Figura 1). Muestreo: El muestreo debe realizarse de acuerdo a lo establecido en la Norma NMX-C-161-0NNCCE. La frecuencia del mismo puede establecerse de común acuerdo entre el productor y comprador, recomendándose el uso de la norma NMX-C-155-0NNCCE. Cada muestra debe consistir de cuando menos dos especímenes de una misma revoltura que se prueban a la edad de proyecto. Preparación del espécimen: Los es­pecímenes deben cumplir con lo establecido en las Normas NMX-C-159 Y NMX-C-160. La longitud del espécimen debe ser la distancia entre apoyos más 50 mm como mínimo. La distancia entre apoyos debe ser de tres veces el peralte de la viga con una tolerancia de 2 % Esta distancia debe ser marcada en las paredes de la viga antes del ensaye. Cabe decir que las caras laterales del espécimen deben estar en ángulo recto con las caras horizontales. Todas las superficies deben ser lisas y libres de bordes, hendiduras, agujeros o identificaciones grabadas. Condiciones ambientales: Esta prueba se realiza de acuerdo a las condiciones ambientales del lugar de prueba.

Cabeza de máquina de prueba

Posición opcional para un rodillo de acero o una bola de acero Aplicación de carga y bloques de apoyo

Bola de acero 25 mm

25 mm

Aplicación de carga y bloques de apoyo

d=L/3

Espécimen Bola de acero

Rodillo de acero

L/3

L/3

Estructura de carga rígida o si es un accesorio de carga, placa de acero o canal

L/3

L=Distancia entre apoyos

Soporte de la máquina de prueba

Problemas, causas y soluciones

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16

Determinación

Procedimiento: Se debe voltear el espécimen sobre un lado con respecto a la posición del moldeado. Se centra en los bloques de apoyo; éstos a su vez deben estar centrados respecto a la fuerza apli-

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construcción y tecnología

cada. Los bloques de aplicación de carga se ponen en contacto con la superficie del espécimen en los puntos tercios entre los apoyos. Se debe tener contacto total entre la aplicación de la carga y los bloques de apoyo con la superficie del espécimen. Se debe lijar las superficies del espécimen o bien usarse tiras de cuero si la separación de la línea de contacto entre ellas y los bloques es mayor de 0,1 mm. Se recomienda que el lijado de las superficies laterales de los especímenes sea mínimo, ya que puede cambiar las características físicas de las mismas y por lo tanto afectar los resultados. Asimismo, se deben utilizar tiras de cuero únicamente cuando las superficies de los especímenes en contacto con los bloques de aplicación de carga, se aparten de un plano en no más de 0,5 mm. Aplicación de la carga: La carga se debe aplicar a una velocidad uniforme, tal que el aumento de esfuerzo de las fibras extremas no exceda de 980 kPa/min (10 kgf/cm2 por min), permitiéndose velocidades mayores antes del 50% de la carga estimada de ruptura. Medición del espécimen después de la prueba: Se determina el ancho promedio, el peralte y la localización de la línea de falla, con el promedio de tres medidas una en el centro y dos sobre las aristas del espécimen aproximándolas al milímetro. Cálculo y expresión de resultados: Si la fractura se presenta en el tercio medio del claro el módulo de ruptura se calcula como sigue: R=(PxL)/(b d2) Donde: R Es el módulo de ruptura, en kPa (kgf/cm2). P Es la carga máxima aplicada, en N (kgf). L Es la distancia entre apoyos, en cm. b Es el ancho promedio del espécimen, en cm. d Es al peralte promedio del espécimen, en cm. En el cálculo anterior, no se incluyen las masas del bloque de apoyo superior y del espécimen.

Si la ruptura se presenta fuera del tercio medio del claro, en no más del 5% de su longitud, se calcula el módulo de ruptura como sigue: R=(3 Pa )/(b d2) Donde: a Es la distancia promedio entre la línea de fractura y el apoyo más cercano en la superficie de la viga en mm. Si la fractura ocurre fuera del tercio medio del claro en más del 5% se desecha el resultado de la prueba. Precisión: Los cálculos de la prueba se deben realizar con la siguiente exactitud: • Para dimensiones, con una precisión de 0,1 cm. • Para carga máxima aplicada, la precisión debe ser de 0.981 N (1kgf). • Para el módulo de ruptura, de 9,8 kPa (0,1 kgf/cm2). Informe de la prueba: Se deben incluir como mínimo los siguientes datos: • Identificación de la muestra. • Ancho promedio en cm, con aproximación de 0,1 cm.

• Peralte promedio en cm, con aproximación de 0,1 cm. • Distancia entre apoyos en cm, con aproximación de 0,1 cm. • Carga máxima aplicada, en N (kgf). • Módulo de ruptura, aproximado al 9,8 kPa (0,1 kgf/cm2). • Condiciones de curado y humedad del espécimen al momento de la prueba. • Si el espécimen se lijó o si se usaron tiras de cuero. • Defectos del espécimen. • Edad del espécimen. Observaciones Para la correcta aplicación de esta norma, es indispensable consultar las siguientes normas mexicanas en vigor: NMX-C-083-0NNCCE Industria de la Construcción.-Concreto-Determinación de la Resistencia a la compresión de cilindros de concreto.-Método de Prueba. NMX-C-155-0NNCCE Industria de la Construcción-Concreto-Concreto hidráulico industrializado Especificaciones. NMX-C-159 Industria de la ConstrucciónConcreto-Elaboración y curado en el laboratorio de especímenes. NMX-C-160 Industria de la ConstrucciónConcreto-Elaboración y curado en obra de especímenes de concreto. NMX-C-161-ONNCCE Industria de la construcción-Concreto fresco–Muestreo. NMX-C-251-ONNCCE Industria de la construcción-Concreto fresco-Terminología. NMX-C-303 Industria de la construcciónConcreto-Determinación de la resistencia a la flexión usando una viga simple con carga en el centro del claro.

Nota: Tomado de la Norma NMX C-191-ONNCCE-2004, con fines de promover la capacitación y el buen uso del cemento y del concreto. Usted puede obtener esta norma y las relacionadas a agua, aditivos, agregados, cementos, concretos y acero de refuerzo en normas@mail. onncce.org.mx o al teléfono 5273 1991. México, DF.

Problemas, causas y soluciones

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4.2 Método de diseño del PCA

Este método de diseño está basado en las teorías de Westergaard, Pickett y Ray, y se complementa con base en elementos finitos con los que se estudió el comportamiento de una losa de concreto de espesor variable y dimensiones establecidas, a la cual se le aplicaron cargas en el centro, bordes y esquinas, considerando diferentes condiciones de apoyo y soporte. Se deben controlar especialmente la fatiga (para prevenir el agrietamiento debido a las cargas) y la erosión (para limitar la deflexión en los bordes de la losa). La vida útil del pavimento termina cuando se da la ruptura del concreto por las repeticiones de carga. El propósito de este método es obtener el espesor mínimo de la losa, para soportar las cargas que se le impondrán en determinado período de tiempo. Si el espesor es mayor de lo necesario, el pavimento prestará un buen servicio con bajos costos de mantenimiento, pero el costo inicial será alto. En caso de que el espesor no sea el adecuado, los costos prematuros y elevados de mantenimiento e interrupciones en el tráfico sobrepasarán los bajos costos iniciales. Una correcta ingeniería requiere que los diseños de espesores balanceen apropiadamente el costo inicial y los costos de mantenimiento.

Mientras que el método PCA 84 se centra en el tópico del diseño de espesores, otros aspectos de diseño son igualmente importantes para asegurar el buen funcionamiento y la duración del pavimento de concreto:

➢ Provisión para un soporte razonablemente uniforme. ➢ Prevención del bombeo de material de base en caso de que el tráfico esperado sea suficientemente alto como para causarlo. ➢ Diseño de juntas que garantice una adecuada transferencia de cargas y facilite el uso de sellos si son requeridos para hacerlas efectivas y prevenga daños de las mismas debido a filtraciones. ➢ Uso de mezclas que proporcionen un concreto de buena calidad con la resistencia y durabilidad necesarias, según las condiciones de exposición.

Aplicaciones del Método PCA

Los procedimientos de diseño ofrecidos por el Método PCA se aplican a los pavimentos de concreto simple, simple con pasajuntas, con refuerzo discontinuo y con refuerzo continuo.

Los pavimentos de concreto simple se construyen sin acero de refuerzo y sin dovelas de transferencia de carga en las juntas. La transferencia de carga es obtenida por una trabazón de agregados entre las caras agrietadas debajo de las juntas aserradas o formadas. Para que esta transferencia sea efectiva, es necesario que se use un espaciamiento corto entre juntas.

Los pavimentos de concreto simple con pasajuntas se construyen sin acero de refuerzo; sin embargo, se instalan barras de acero lisas (pasajuntas) como elementos de transferencia de cargas en cada junta de contracción. En este caso se emplean espaciamientos relativamente cortos entre juntas para controlar el agrietamiento.

Los pavimentos reforzados contienen además del acero de refuerzo, barras pasajuntas para la transferencia de cargas en las juntas de contracción. Estos pavimentos son construidos con espaciamientos de juntas mayores que los utilizados en pavimentos reforzados. Usualmente se desarrollan una o más fisuras transversales entre las juntas de contracción, las cuales se mantienen cerradas por el acero de refuerzo, consiguiéndose proveer una buena transferencia de cargas. Los espaciamientos de juntas comúnmente utilizados y que trabajan bien, son de 4,6 m para pavimentos de concreto simple, no más de 6 m para pavimentos con pasajuntas, y no mas de 12 m para pavimentos reforzados. Espaciamientos mayores han sido utilizados, pero han sido causa de daños en las juntas y de la formación de fisuras intermedias entre ellas.

Los pavimentos con refuerzo continuo se construyen sin juntas de contracción. Debido al refuerzo del acero continuo relativamente denso en la dirección longitudinal, ellos desarrollan fisuras transversales a intervalos cercanos. Se desarrolla un alto grado de transferencia de cargas en las caras de esas fisuras, que se mantienen firmemente unidas por el acero de refuerzo.

Los procedimientos de diseño que se dan en este método, cubren las condiciones que no han sido directamente tratadas por otros procedimientos. Estos incluyen el reconocimiento de:

El grado de transferencia de carga en las juntas proporcionado por los diferentes tipos de pavimentos descritos. El efecto de utilizar una berma de concreto adyacente al pavimento. Las bermas reducen los efectos de flexión y las deflexiones causadas por las cargas. El efecto de usar una subbase de concreto pobre, la cual reduce esfuerzos y deflexiones del pavimento, dotando de un soporte considerable cuando los camiones pasan sobre las juntas y de resistencia a la erosión de la subbase causadas por las deflexiones repetidas del pavimento. Dos criterios de diseño: •

Fatiga: Para mantener los esfuerzos del pavimento debidos a la acción de cargas repetidas, dentro de límites seguros previniendo así el agrietamiento por fatiga.

•

Erosión: Para limitar los efectos de las deflexiones del pavimento en el borde de las losas, juntas y esquinas, controlando así la erosión de la cimentación y de los materiales de las bermas. El criterio por erosión es necesario ya que algunas formas de daños del pavimento tales como bombeo, fallas y daños de las bermas no son debidas a la fatiga.

4.3 Método de la AASHTO.

El diseño del pavimento rígido involucra el análisis de diversos factores: tráfico, drenaje, clima, características de los suelos, capacidad de transferencia de carga, nivel de serviciabilidad deseado, y el grado de confiabilidad al que se desea efectuar el diseño acorde con el grado de importancia de la carretera. Todos estos factores son necesarios para predecir un comportamiento confiable de la estructura del pavimento y evitar que el daño del pavimento alcance el nivel de colapso durante su vida en servicio. La ecuación fundamental AASHTO para el diseño de pavimentos rígidos es:

Donde: W18 = Número de cargas de 18 kips (80 kN) previstas. ZR = Es el valor de Z (área bajo la curva de distribución) correspondiente a la curva estandarizada, para una confiabilidad R. S0 = Desvío estándar de todas las variables. D = Espesor de la losa del pavimento en pulg. ∆PSI = Pérdida de serviciabilidad prevista en el diseño. Pt = Serviciabilidad final. ' S = Módulo de ruptura del concreto en psi. J = Coeficiente de transferencia de carga. Cd = Coeficiente de drenaje. EC = Módulo de elasticidad del concreto, en psi. K = Módulo de reacción de la subrasante (coeficiente de balastro), en pci (psi/pulg).

Para una mejor descripción de las variables, éstas se han clasificado de la siguiente manera:

➢ Variables de diseño. Esta categoría se refiere al grupo de criterios que debe ser considerado para el procedimiento de diseño. ➢ Criterio de comportamiento. Representa el grupo de condiciones de fronteras especificado por el usuario, dentro del que un alternativa de diseño deberá comportarse. ➢ Propiedades de los materiales para el diseño estructural. Esta categoría cubre todas las propiedades de los materiales del pavimento y del suelo de fundación, requeridas para el diseño estructural. ➢ Características estructurales. Se refiere a ciertas características físicas de la estructura del pavimento, que tienen efecto sobre su comportamiento.

VARIABLES DE DISEÑO Variables de tiempo Se consideran dos variables: período de análisis y vida útil del pavimento. La vida útil se refiere al tiempo transcurrido entre la puesta en operación del camino y el momento en el que el pavimento requiera rehabilitarse, es decir, cuando éste alcanza un grado de serviciabilidad mínimo. El período de análisis se refiere al período de tiempo para el cual va a ser conducido el análisis, es decir, el tiempo que puede ser cubierto por cualquier estrategia de diseño.

Tránsito En el método AASHTO los pavimentos se proyectan para que éstos resistan determinado número de cargas durante su vida útil. El tránsito está compuesto por vehículos de diferente peso y número de ejes que producen diferentes tensiones y deformaciones en el pavimento, lo cual origina distintas fallas en éste. Para tener en cuenta esta diferencia, el tránsito se transforma a un número de cargas por eje simple equivalente de 18 kips (80kN) o ESAL (Equivalent Single Axle Load), de tal

manera que el efecto dañino de cualquier eje pueda ser representado por un número de cargas por eje simple. La información de tráfico requerida por la ecuación de diseño utilizado en este método es: cargas por eje, configuración de ejes y número de aplicaciones. Para la estimación de los ejes simples equivalentes (ESALs), se debe tener en cuenta los siguientes conceptos: a) Factor equivalente de carga (LEF, por sus siglas en ingles) La conversión se hace a través de los factores equivalentes de carga (Fec), que es el número de aplicaciones ESALs aportadas por un eje determinado. Así, el Fce es un valor numérico que expresa la relación entre la pérdida de serviciabilidad causada por la carga de un eje estándar de 18 Kips y la carga producida por otro tipo de eje.

b) Factor camión (TF, por sus siglas en ingles)

El factor camión (FC) da una manera de expresar los niveles equivalentes de daño entre ejes, pero para el cálculo de ESALs es conveniente expresar el daño en términos del deterioro producido por un vehículo en particular, es decir los daños producidos por cada eje de un vehículo son sumados para dar el daño producido por ese vehículo. Así nace el concepto de factor camión que es definido como el número de ESALs por vehículo. El factor camión, puede ser computado para cada clasificación general de camiones o para todos los vehículos comerciales como un promedio para una configuración dada de tránsito, pero es más exacto considerar factores camión para cada clasificación general de camiones.

Confiabilidad La confiabilidad es la probabilidad de que el pavimento se comporte satisfactoriamente durante su vida útil o período de diseño, resistiendo las condiciones de tráfico y medio ambiente dentro de dicho período. Cabe resaltar, que cuando hablamos del comportamiento del pavimento nos referimos a la capacidad estructural y funcional de éste, es decir, a la capacidad de soportar las cargas impuestas por el tránsito, y asimismo de brindar seguridad y confort al usuario durante el período para el cual fue diseñado. Por lo tanto, la confiabilidad está asociada a la aparición de fallas en el pavimento. La confiabilidad (R) de un pavimento puede definirse en términos de ESALs como: R (%) = 100 P(Nt > NT) Donde: Nt = Número de ESALs de 80 kN que llevan al pavimento a su serviciabilidad final. NT = Número de ESALs de 80 kN previstos que actuarán sobre el pavimento en su período de diseño (vida útil). Es fácil deducir que si el número de ESALs previstos es menor que el número de ESALs reales, la vida útil del pavimento se acortará. Por lo tanto, la variabilidad en el diseño, en la construcción afecta en gran medida la bondad de un diseño, por ejemplo: • La variación en las propiedades de los materiales a lo largo del pavimento, produce como resultado una variación en el desarrollo de fallas y rugosidades en ese pavimento. Las fallas localizadas en zonas débiles, dan como resultado una disminución en la vida útil del pavimento. • La variación de la ubicación de los pasadores en las juntas y profundidad de colocación de la armadura da como resultado una variación en el desarrollo de fallas y rugosidades. • La variación entre los datos de diseño del pavimento y los reales puede significar un aumento o disminución de la vida útil del mismo. Es por esto que se necesario una variable (S0 – Desviación Estándar) que acote la variabilidad de todos éstos factores dentro de unos límites permisibles, con el fin de asegurar que la estructura del pavimento se comporte adecuadamente durante su período de diseño. La desviación estándar es la desviación de la población de valores obtenidos por AASHTO que involucra la variabilidad inherente a los materiales y a su proceso constructivo. En la tabla 1.2 se muestran valores para la desviación estándar.

El número de ESALs de diseño para una confiabilidad dada es: Log (ESALs diseño ) = log NT + ZR x S0 Donde ZR es el área bajo la curva de distribución, correspondiente a la curva estandarizada. Para la selección del nivel de confiabilidad debe tenerse en cuenta dos aspectos: a) Grado de importancia de la carretera Tiene que ver con el uso esperado de la carretera. Así, para carreteras principales el nivel de confiabilidad es alto, ya que un subdimensionamiento del espesor del pavimento traerá como consecuencia que éste alcance los niveles mínimos de serviciabilidad antes de lo previsto, debido al rápido deterioro que experimentará la estructura. En la tabla 1.3 se dan niveles de confiabilidad aconsejados por la AASHTO.

b) Optimizar el espesor de pavimento Se debe determinar el nivel de confiabilidad óptimo que me asegure el costo total más bajo, es decir, que balancee apropiadamente el costo inicial y los costos de mantenimiento como se muestra en la figura 1.11. Si el espesor es mayor de lo necesario, el pavimento prestará un buen servicio, con bajos costos de mantenimiento, pero el costo de inversión inicial será alto. Todo lo contrario sucede cuando el espesor es menor de lo necesario.

CRITERIOS DE COMPORTAMIENTO Serviciabilidad La serviciabilidad se usa como una medida del comportamiento del pavimento, la misma que se relaciona con la seguridad y comodidad que puede brindar al usuario (comportamiento funcional), cuando éste circula por la vialidad. También se relaciona con las características físicas que puede presentar el pavimento como grietas, fallas, peladuras, etc., que podrían afectar la capacidad de soporte de la estructura (comportamiento estructural). El concepto de serviciabilidad está basado en cinco aspectos fundamentales resumidos como sigue: 1. Las carreteras están hechas para el confort y conveniencia del público usuario. 2. El confort, o calidad de la transitabilidad, es materia de una respuesta subjetiva de la opinión del usuario. 3. La serviciabilidad puede ser expresada por medio de la calificación hecha por los usuarios de la carretera y se denomina la calificación de la serviciabilidad. 4. Existen características físicas de un pavimento que pueden ser medidas objetivamente y que pueden relacionarse a las evaluaciones subjetivas. Este procedimiento produce un índice de serviciabilidad objetivo. 5. El comportamiento puede representarse por la historia de la serviciabilidad del pavimento.

a) Índice de serviciabilidad inicial (P0) El índice de serviciabilidad inicial (P0) se establece como la condición original del pavimento inmediatamente después de su construcción o rehabilitación. AASHTO estableció para pavimentos rígidos un valor inicial deseable de 4.5, si es que no se tiene información disponible para el diseño. b) Índice de serviciabilidad final (Pt) El índice de serviciabilidad final (Pt), ocurre cuando la superficie del pavimento ya no cumple con las expectativas de comodidad y seguridad exigidas por el usuario. Dependiendo de la importancia de la vialidad, pueden considerarse los valores Pt indicados en la tabla 1.4.

La pérdida de serviciabilidad se define como la diferencia entre el índice de servicio inicial y terminal. ∆PSI = P0 – Pt

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Módulo de reacción de la subrasante (k) Este factor nos da idea de cuánto se asienta la subrasante cuando se le aplica un esfuerzo de compresión. Numéricamente, es igual a la carga en libras por pulgada cuadrada sobre un área de carga, dividido por la deflexión en pulgadas para esa carga. Los valores de k son expresados como libras por pulgada cuadrada por pulgada (pci). Puesto que la prueba de carga sobre placa, requiere tiempo y es costosa, el valor de k es estimado generalmente por correlación con otros ensayos simples, tal como la razón de soporte california (CBR) o las pruebas de valores R. El resultado es válido porque no se requiere la determinación exacta del valor k; las variaciones normales para un valor estimado no afectarán apreciablemente los requerimientos de espesores del pavimento.

MÓDULO DE ROTURA DEL CONCRETO Es un parámetro muy importante como variable de entrada para el diseño de pavimentos rígidos, ya que va a controlar el agrietamiento por fatiga del pavimento, originado por las cargas repetitivas de camiones. Se le conoce también como resistencia a la tracción del concreto por flexión. El módulo de rotura requerido por el procedimiento de diseño es el valor medio determinado después de 28 días utilizando el ensayo de carga en los tercios. De esta manera, se obtiene en el tercio medio una zona sometida a un momento flector constante igual a PL/3 y la rotura se producirá en cualquier punto de este tercio medio con la única condición que exista allí una debilidad. Este ensayo es recomendable frente al ensayo de carga en el punto medio, en el cuál la rotura se producirá indefectiblemente en dicho punto (punto de aplicación de la carga) donde el momento flector es máximo. Los valores del módulo de rotura varían entre 2.8 MPa (400 psi) y 4.8 MPa (700 psi), llegando incluso a valores de 8.2 MPa (1200 psi), en concretos con alta resistencia inicial.

Módulo de elasticidad del concreto Es un parámetro que indica la rigidez y la capacidad de distribuir cargas que tiene una losa de pavimento. Es la relación entre la tensión y la deformación. Las deflexiones, curvaturas y tensiones están directamente relacionadas con el módulo de elasticidad del concreto. En los pavimentos de concreto armado continuo, el módulo de elasticidad junto con el coeficiente de expansión térmica y el de contracción del concreto, son los que rigen el estado de tensiones en la armadura. Para concreto de peso normal, el Instituto del Concreto Americano sugirió:

CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES Drenaje El proceso mediante el cual el agua de infiltración superficial o agua de filtración subterránea es removida de los suelos y rocas por medios naturales o artificiales, se llama drenaje. El drenaje es uno de los factores más importantes en el diseño de pavimentos. El agua es el causante principal del deterioro de la estructura del pavimento, porque origina muchos efectos devastadores en él; siendo el peor, la pérdida de soporte del pavimento. Para minimizar los efectos del agua sobre los pavimentos se debe: • Prevenir el ingreso del agua al pavimento (drenaje superficial). • Proveer de un drenaje para remover el agua rápidamente (drenaje subterráneo). • Construir un pavimento suficientemente fuerte para resistir el efecto combinado de carga y agua. Como es imposible impedir el ingreso del agua a la estructura del pavimento; es necesario la construcción de un sistema de subdrenaje que permita remover rápidamente esta agua. En la actualidad se están utilizando subbases altamente permeables y drenes laterales para evacuar rápidamente el agua. La sección típica de una subbase permeable con diferentes tipos de berma se muestra en la figura 1.14a y 1.14b.

La tabla 1.5 proporciona los valores recomendados por la AASHTO para el coeficiente de drenaje Cd, que depende de la propiedad con que cuentan las capas que constituyen la estructura del pavimento para liberar el agua libre entre sus granos, en función del tiempo durante el cual la estructura del pavimento está

expuesta normalmente expuesta a niveles de humedad próximos a la saturación.

Transferencia de carga Las cargas de tránsito deben ser transmitidas de una manera eficiente de una losa a la siguiente para minimizar las deflexiones en las juntas. Las deflexiones excesivas producen bombeo de la subbase y posteriormente rotura de la losa de concreto. El mecanismo de transferencia de carga en la junta transversal entre losa y losa se lleva a efecto de las siguientes maneras: • Junta con dispositivos de transferencia de carga (pasadores de varilla lisa de acero) con o sin malla de refuerzo por temperatura. • Losa vaciada monolíticamente con refuerzo continuo, (acero de refuerzo de varilla corrugada armada en ambas direcciones) no se establece virtualmente la junta transversal, tomándose en cuenta para el cálculo del acero estructural la remota aparición de grietas transversales. • Junta transversal provocada por aserrado cuya transferencia de carga se lleva a efecto a través de la trabazón entre los agregados. La transferencia de cargas se puede definir usando deflexiones o tensiones en la junta. La transferencia de cargas por deformaciones es:

Pérdida de soporte Este factor, LS (loss of support = pérdida de soporte) es incluido en el diseño de pavimentos rígidos para tomar en cuenta la pérdida potencial de soporte proveniente de la erosión de la subbase y/o movimientos diferenciales verticales del suelo. Deberá también considerarse este factor en términos de los movimientos verticales del suelo que pueden resultar de vacíos bajo el pavimento. Aun cuando se utilice una subbase no erosionable, pueden desarrollarse vacíos, reduciendo la vida del pavimento.

4.4 Diseño de juntas de construcción.

El diseño de juntas en los pavimentos de concreto es el responsable del control del agrietamiento, así como de mantener la capacidad estructural del pavimento y su calidad de servicio en los más altos niveles al menor costo anual.

Además las juntas tienen funciones más específicas, como lo son:

•El control del agrietamiento transversal y longitudinal provocado por las restricciones de contracción combinándose con los efectos de pandeo o alabeo de las losas, así como las cargas del tráfico. • Dividir el pavimento en incrementos prácticos para la construcción (por ejemplo los carriles de circulación) •Absorver los esfuerzos provocados por los movimientos de las losas. • Proveer una adecuada transferencia de carga. • Darle forma al depósito para el sellado de la junta.

Una construcción adecuada y a tiempo, así como un diseño apropiado de las juntas incluyendo un efectivo sellado, son elementos claves para el buen comportamiento del sistema de juntas.

JUNTAS TRANSVERSALES ⇒ Contracción: Controlan la formación de fisuras ⇒ Construcción: Juntas de fin de jornada o por imposibilidad de continuar con el hormigonado. ⇒ Aislación / Dilatación: permite movimientos relativos con estructuras fijas u otros pavimentos.

JUNTAS LONGITUDINALES ⇒ Contracción: Controlan la formación de fisuras ⇒ Construcción: Pavimentación por fajas.

4.5 Procedimientos de construcción y control de calidad de los pavimentos rígidos.

“PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO DEL PAVIMENTO DE CONCRETO PERMEABLE”. TRABAJOS PRELIMINARES. El suelo natural encontrado en cualquier proyecto deberá de muestrearse y someterse a pruebas para permeabilidad y capacidad de carga. Cuando en los suelos existentes predomina la arena, las condiciones de graduación no favorecen la permeabilidad. Se ubica y se traza el área en donde vamos a aplicar el nuevo pavimento de concreto permeable. En los casos en donde haya que demoler algún pavimento existente, tendremos que estar seguros de retirar la estructura anterior también, o sea la base que normalmente se compone de grava cementada, asfalto y tepetate compactado. En algunos casos tiene riegos de asfalto; estos

materiales

estorbarán la infiltración del agua por lo que será muy importante retirarlos. También se deberán marcar los niveles de piso terminado hasta donde debe quedar nuestro nuevo pavimento de concreto permeable terminado.

Una vez terminado el trazo y las demoliciones, de ser necesarias, procederemos a excavar el terreno hasta la profundidad deseada. Una vez que tenemos definido el espesor del pavimento de concreto permeable y de la base que vamos a usar podemos determinar a qué profundidad hay que excavar el terreno. El ideal es que la excavación se haga hasta encontrar el terreno natural, en ese punto se aplica una vibro compactación con el objeto de estabilizarlo y nivelarlo, no dejando áreas flojas que pudieran deformarse durante el proceso de construcción. Una nivelación adecuada debe dejar pendientes aceptables hacia los pozos o canales de absorción. Terminado esto se debe compactar el terreno por medios mecánicos. También se deberán delimitar las áreas de instalación del pavimento de concreto permeable con algún tipo de cimbra, esto se hace cuando hay que dejar fronteras o juntas con algún otro pavimento existente o juntas frías para el propio colado del estos pisos. En los casos en que haya que colar un pavimento de concreto permeable junto a un pavimento tradicional, habrá que proteger a éste con una película plástica ya que el agua que penetra por el piso del pavimento de concreto permeable puede deformarlo. En algunos casos no hay que excavar sino construir guarniciones para contener la base y el pavimento de concreto permeable, estas piezas sé podrán hacer también con concreto hidráulico común. Los pozos de absorción permiten la acumulación de un mayor volumen de agua de lluvia la cual, a través de éstos, podrá ser encausada al subsuelo gracias a la presión hidrostática del agua. Para determinar el número de pozos debemos conocer la permeabilidad del terreno y la cantidad de agua que pueda llegar a este desde otros lados. En la mayoría de los casos hasta hoy presentados, hemos determinado que un pozo por cada 40 m2 es suficiente.

El tamaño de éstos varía desde 1.00 x 1.00 x 1.00 metro, hasta pozos de 0.60 x 0.60 x 0.60, mientras más profundo es un pozo de absorción, seguramente más rápido se infiltrara el agua al subsuelo. A estos pozos se les llaman también “Pozos indios” y tienen la ventaja adicional de que no hay que ademarlos o recubrir sus paredes para evitar que se colapsen. Se rellenan con grava, tezontle o con materiales de demolición libres de polvo y arena. Debemos recordar que en el proceso constructivo del pavimento de concreto permeable no debe usarse arena ya que es un material fino que se lavará con el agua pudiendo provocar baches. En algunas ocasiones es recomendable usar canales para conducir el agua hacia los pozos.

Son muretes que se construyen para contener la base. Pueden ser hechos con mezcla de concreto, tabique, adoquines o inclusive material de desecho producto de la demolición si es que la hubo. Estos muros contenedores no siempre son necesarios ya que muchas veces las guarniciones, o la propia excavación, son suficientes para la contención del relleno. Se usarán sólo en aquellos casos en donde exista la posibilidad de que la base, por efecto de la vibración, la pendiente y la carga sobre el pavimento, pueda dispersarse, ya que si esto sucediera, ocasionaría la aparición de huecos en la base del pavimento permeable y estos podrían ocasionar fracturas o baches. Los muros contenedores deberán ser colocados de manera que contengan el relleno. Su altura podrá ser igual a la del relleno o rebasarlo por no más de dos cm. Deberán desplantarse cuando menos 10 cm. por debajo del lecho inferior del relleno. TERRACERIAS. La uniformidad del soporte de la subrasante, en lugar de la resistencia, es el mejor criterio para una adecuada selección de la subrasante. El pavimento de concreto permeable tiene una losa que distribuye las cargas sobre una gran área similar a la del pavimento de concreto convencional; esta distribución de cargas disminuye la presión en la subrsante y elimina la necesidad de grandes espesores de la subrasante. Ya que la uniformidad del soporte de la subrasante es esencial en la función de los pavimentos, esto debe garantizarse tanto en condiciones secas como húmedas de la subrasante. Una adecuada construcción del pavimento de concreto permeable facilita estos requerimientos, específicamente cuando están expuestos al agua de lluvia. Lo que podría provocar la ocurrencia de perdidas en el soporte de la subrasante en suelos arenosos. Sin embargo, el tipo de problemas en un soporte de la subrasante es variable y pueden resultar de la presencia de limo y arcilla, los cuales son altamente compresibles, tienen poca cohesión o se expanden en condiciones húmedas.

Estas condiciones en los suelos pueden ser analizados individualmente para otros valores en los soportes y pueden ser modificados, reemplazados o bien colocar un material permeable adicional en menos de 15.25 cm (6 pulgadas) encima de un suelo inadecuado.

Dependiendo del tipo de suelo, la subrasante debería compactarse entre 90 y 95 % de la densidad determinada por AASHTO T-9951 ó AASHTO T-18052. El modulo de reacción de la subrasante (K) [lb/in3] debería estar determinado con las condiciones del suelo existente y estableciendo los requerimientos de diseño. Antes de la colocación del pavimento, la subrasante o sub-base debería ser compactada de acuerdo a las especificaciones y a las condiciones de humedad. El pavimento de concreto permeable tiene una humedad mínima libre y si la subrasante o sub-base está en condiciones secas, el tiempo de colocación se acelerara y se reducirá el desempeño del pavimento.

El tiempo de colocación es importante para cumplir con la humedad de la subrasante sin la presencia de la resistencia libre del agua como en los métodos del pavimento de concreto convencional.

La base es la estructura que mantiene al pavimento permeable sobre el terreno. Las capas quedan establecidas de acuerdo al uso de cada pavimento, en calles, estacionamientos grandes u obras de mucho tráfico, será necesario aplicar una base de grava y una sub base de boleos de 1 ½” hasta 3”, en casos de obras de poca carga solo será necesario una capa de base de ¾”. La base es la capa que viene justo por debajo de la carpeta del concreto hidráulico permeable, se hace con grava limpia de ¾” pudiendo hacerla con distintos tipos de piedra, siempre y cuando se cumpla la característica de no contener arena. Esta base, por no contar con un material como la arena, que lo haga homogéneo, descompone las cargas que se le aplican al pavimento en todas direcciones, en forma heterogénea, favoreciendo que la carga transmitida al terreno sea mínima ya que la reparte por todos lados.

La sub base se hace con agregados pétreos en diámetros mayores, de 1 ½” hasta 3” y 4” que se instalan directamente sobre el terreno compactado. Esta capa normalmente es más gruesa que la de grava para otorgar una cimentación adecuada al pavimento terminado. Por lo anteriormente descrito, es muy difícil que un pavimento hidráulico permeable se deforme por efecto de las cargas, como las que transmiten autos y camiones. El tamaño de los agregados para estas bases será desde tres cuartos de pulgada en adelante. Se debe compactar y nivelar muy bien por medios mecánicos. Se requiere de un material limpio además de estar libre de materiales deletéreos. El espesor máximo de capas será de 20.32 cm (8 in), y será compactado con un equipo vibratorio a una densidad a una densidad mínima del 92 % de la densidad seca máxima según lo establecido. La subrasante estará en condiciones húmedas (dentro del +- 3% del contenido de agua optimo, de acuerdo con la prueba de compactación modificada). Otros materiales importantes son el geo-textil y la geo malla, estos materiales se usan para contener de una manera mucho más eficaz los terrenos que presentan poca sustentación, como las arcillas expansivas. Los geo textiles son telas que tienen una gran resistencia a la flexión y que permiten contener los materiales en su sitio ayudando en gran manera a su estabilidad. Se aplican directamente sobre el terreno compactado mecánicamente y sobre esta se aplica la sub base, que servirá también para fijarla en su sitio. Es de notarse la gran resistencia a la tensión que dan estas telas aportan, lo que mejora enormemente la estabilidad de los suelos o bases. Estos materiales no son caros pero no se usan siempre en obras de concreto hidráulico permeable, solo los usamos en terrenos mejorados por medios mecánicos o con problemas de elasticidad ya que aportaran un buen medio de contención, como sucede con las arcillas expansivas, pero pueden afectar también

de manera negativa, aunque no en todos los casos, porque pueden atenuar la velocidad de permeabilidad. En la actualidad se reconocen cuatro funciones principales: Separación, al evitar o minimizar la mezcla de materiales de diferentes granulometría. Filtración y drenaje, al evitar la migración de partículas de suelo y permitir el libre flujo de agua y gases. Refuerzo, al soportar tensiones, estabilizar la masa de suelo y proteger geomembranas. Impermeabilizantes, al formar una barrera que impida el paso de fluidos y partículas de suelo.

ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO. Algunos sitios bien planeados proporcionan un adecuado sistema de agua. El gobierno requiere que estos sistemas mejoren la calidad de las descargas de agua. Los requerimientos de la mezcla así como las técnicas de colocación son regularmente actualizados y los contratistas deben de consultar regularmente los manuales y las especificaciones de los materiales para los últimos por menos antes de la colocación del concreto. Las operaciones a seguir están directamente relacionadas con la calidad de la subrasante, la adecuada proporción de la mezcla, la colocación, el acabado y el curado. Las propiedades de la mezcla permeable requieren especial cuidado en el mezclado y la transportación. Para producir una mezcla de consistencia adecuada, las proporciones deben ser correctamente ajustadas para la humedad de los agregados. El peso inicial de los materiales en la mezcladora debe tener una secuencia tal que minimice los apelmazamientos (grumos, bolas) del material de la mezcla. Los camiones revolvedores para ayudar a la descarga deberán tener más abiertas las aperturas o bien los canalones deberán ser lo más ancho posible dando un revendimiento de cero. Las unidades descargaran por la parte de atrás y la parte de enfrente deberá estar lo más elevado posible para ayudar a la descarga. El uso de un aditivo retardante / reductor de agua ayudara en las operaciones de colocación provocando que el fraguado inicial de mezcla sea mas tardío cuando se manejen grandes tiempos en la colocación. Durante la transportación el producto se mezclara a una baja velocidad. La descarga de la mezcla deberá completarse una hora después de que se haya agregado el agua a la mezcla. Un ambiente con alta temperatura provocara un efecto directo en el fraguado inicial por lo que se deberá tener cierto cuidado. De acuerdo con experiencia, se dice que este tipo de concreto no se recomienda para bombeo dado que no es práctico de factible.

Los procedimientos de colocación adecuados son muy importantes porque conducen a un buen desempeño del pavimento permeable. También es necesario que se cuente con gente experimentada en ese campo. La descarga del material deberá ser lo más rápido posible y continúa. Si llega a ser interrumpido, la mezcla permanecerá en el canalón, la cual tendrá que removerse y ser depositada en el piso.

El uso de equipo mecánico de esparcimiento mejorara la producción y reducirá la contaminación de los materiales de la subrasante. Si este equipo no está disponible, la distribución será manual. La siguiente operación es para nivelación o compactación del material. Hasta la fecha los procedimientos de colocación tiene incluido un enrasador y un rodillo. Tanto el enrasador como el rodillo no tienen la capacidad para compactar la mezcla. La utilización de una frecuencia alta en el vibrado del concreto empleando el equipo mecánico de colocación puede causar en la mezcla una densificación y con ello eliminar la estructura permeable si continua el vibrado.

La vibración puede causar a la pasta cementante una fluidez tal, que llene la parte baja de la estructura permeable del concreto dejando en la superficie los agregados. Esto reducirá la resistencia del concreto en la superficie y debilitara la permeabilidad en la porción baja del pavimento. Los métodos de enrasamiento mecánico con rodillos o con regla, producen un bajo esfuerzo de compactación; en un pavimento colocado, la relación del peso unitario en los resultados es ligeramente menor que el peso unitario teórico. Después de la colocación mecánica, no se requieren operaciones de acabado adicional. Ningún acabado adicional, dañara la integridad de la superficie y las características superficiales del pavimento permeable. La ligera niebla en la superficie por el calor y el viento previo a la cubierta del polietileno mejorara la adherencia de las partículas en la superficie.

La mezcla del agregado del cemento portland se puede transportar de la planta o mezclar en sitio y debe ser utilizada en el plazo de una hora, después de agregar agua a la mezcla, a menos que sea aprobado por un especialista si se requiere de un tiempo mayor a 90 minutos, utilizar un estabilizador de hidratación el cual debe ser especificado. El concreto se depositara cerca de su posición final, de tal forma que el concreto fresco se incorpore a la masa de concreto colocado previamente. La práctica de descarga sobre el subsuelo, tirado o traspaleo previa a la colocación final no se permite. CARPETA CON CONCRETO PERMEABLE. A menos que sea aprobado por el dueño y el ingeniero, el contratista, proveerá solo equipo mecánico el cual se deberá colocar en la cimbra. El concreto hidráulico permeable será puesto de acuerdo a los requerimientos de la estructura y no rebasara mas de +- 9.525 mm. (+- 3/8 pulgadas) en 3.05 m (10ft). Automáticamente después del enrasamiento y de la compactación, no se permitirá otro acabado. Las cimbras pueden ser de madera o acero y tendrán la profundidad del pavimento. Deberán ser lo suficientemente resistentes y estables para soportar equipo mecánico sin tener alguna deformación, desarrollando las operaciones de compactación y esparcimiento. Las juntas transversales de contracción serán instaladas en intervalos de 6.1 [m]. Se instalaran a una profundidad de 6.35 mm. Del espesor del pavimento. Las juntas longitudinales serán colocadas en el punto medio del ancho del carril de la construcción del ancho del carril excede los 4.57 m. Estas juntas pueden colocarse con concreto plástico o con una cortadora. Si se utiliza una cortadora, el procedimiento es rápido ya que el pavimento endurece lo suficiente para prevenir los desvíos. Normalmente se hacen las juntas después del curado.

Las juntas transversales de construcción solo pueden ser instaladas, siempre que se haya terminado el tramo de construcción, de otra manera el concreto nunca empezara a endurecer. Para garantizar el vinculo de los agregados con la construcción de las juntas, se debe tener un adecuado agente de adherencia para colocar el concreto fresco al ya existente, el cual será cepillado o esparcido al límite de la superficie del pavimento existente. Las juntas de aislamiento se usaran solo cuando haya algún bloque o losa u otras estructuras contiguas.

CURADO Y BALIZAMIENTO. El procedimiento de curado normalmente utilizado es el de cubrir la superficie expuesta con un material de polietileno o bien por algún otro material a cubrir de 6 mm. Y comenzara a cubrir después de 20 minutos de haber hecho la colocación final. Previo a la cubierta se tendrá una niebla o una ligera niebla en la superficie, garantizando la resistencia normal obtenida en la superficie del concreto y esto es debido a la temperatura, viento y humedad. La cubierta abarcara los limites, asegurándose con piedras o tierra, para prevenirla de las condiciones de tráfico o del viento. Se debería cuidar el procedimiento de curado desde la niebla hasta la cubierta ya que de otra manera se removerán los agregados superficiales y se reducirá la durabilidad.

El tiempo de curado dependerá del material cementante usado y del porcentaje de resistencia de diseño. Sin el adecuado curado, el pavimento permeable de concreto puede alcanzar solo el 40% de la resistencia de diseño, volviéndolo susceptible del deterioro superficial. Se deberá mantener la cubierta de plástico durante dos o tres días como mínimo y hasta 7 días de ser posible,

esta

precaución ayudará a mejorar las condiciones mecánicas del material y obtendrá una mayor resistencia. Aunque a mezcla para el pavimento se entrega ya con un colorante adicionado se puede aplicar una capa final de impregnación que lleva un colorante. Esta capa final ayudará a mejorar la adherencia de las piedras superficiales y también mejorará mucho el aspecto del piso ya terminado. Esta capa con el tiempo sé ira desgastando en la parte superficial del pavimento dejando el contorno con color lo que dará un aspecto muy atractivo a toda la superficie, pero se puede volver a impregnar la superficie sin ningún problema. Cualquier tipo de pintura se puede utilizar para realizar los balizamientos necesarios para dar las indicaciones hacia los conductores y peatones; estos se pueden realizar con el equipo que se utiliza para balizar el asfalto.

4.6 Software aplicado al diseño de pavimentos rígidos.

4.7 Conservación de pavimentos rigidos.

Conservación Rutinaria.

Sellado de grietas

Limpieza de la superficie de rodamiento.

Conservación periódica.

Reposición parcial o total de losas de concreto hidráulico.

Reconstrucción.

demolición de losas de concreto hidráulico

Construcción de losas de concreto hidráulico