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PEQUEÑA MONOGRAFIA PARA AYUDA DE ALUMNOS DE INGENIERIA CIVIL
Tipo: Ejercicios
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¡No te pierdas las partes importantes!
Desde los senderos hechos a fuerza de paso, hasta las grandes carreteras de concreto,
el hombre ha modificado su entorno de acuerdo con las necesidades de su tiempo.
Actualmente, en la era de las comunicaciones, la necesidad de construir caminos más
fuertes y más seguros intensifica su mirada en el concreto, material de grandes
posibilidades para el desarrollo de los caminos en el mundo contemporáneo. La historia de las modernas técnicas de construcción de caminos y puentes tiene sus inicios
alrededor de 1850, con Tressaguet en Francia y John Metcalfe en el Reino Unido,
quienes desarrollaron un método de construcción con base en la colocación de piedras
largas, limitadas por piedras de tamaño progresivamente más pequeño. Este tipo de
caminos, junto con otros realizados con piedras, grava y arena, fueron diseñados para los
bajos volúmenes y velocidades de los primeros vehículos, hasta que la industria
automotriz, al ir creciendo a pasos agigantados, fue demandando mejores carreteras y
caminos urbanos. El reto, entonces, era buscar un material que resistiera pesadas cargas de manera eficiente y duradera: la solución se tradujo en lo que ahora llamamos la
construcción de caminos pavimentados. Fue John Loundon MacAdam, a principios del
siglo XIX quien desarrolló el sistema notablemente más económico que se usa en la
actualidad.
En este trabajo monográfico se desarrollarán en forma concisa los conceptos básicos sobre pavimentos, para tener una idea general de los tipos de pavimentos, así como de los principales elementos que conforman el pavimento. Asimismo, se describirá brevemente cada uno de los factores o parámetros necesarios para el diseño de pavimentos según el método AASHTO.
4.1.1 Tipos de fallas en una estructura de pavimento flexible 4.2AÑOS EN ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS RÍGIDOS 4.2.1 Deformaciones en estructuras de Pavimento rígido
CAPITULO V REPARACIÓN Y MATENIMIENTO DE PAVIMENTOS
5.1TRABAJOS DE REPARACIÓN DE PAVIMENTOS 5.2 MANTENIMIENTO DE PAVIMENTOS 5.2.1 Actividades de mantenimiento 5.2.2 Tareas de mantenimiento 5.3 REFUERZO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS 5.3.1 Mantenimiento de los pavimentos rígidos
Investigar e informarse ampliamente sobre todo lo relacionado a “Pavimentos”, con el fin de comprender y conocer sus funciones de acuerdo a los tipos de pavimentos, también usos y métodos que se emplean para su diseño y construcción de los mismos; así como criterios para la selección de materiales.
1.1ANTECEDENTES HISTORICOS DE PAVIMENTOS
Probablemente el primer invento qe revolucionó los medios de transporte fue la rueda, con la cual se facilitó el traslado de bienes de mayor tamaño y volumen pero a la vez estableció la necesidad de contar con caminos con menores obstáculos y superficie uniforme y firme para hacer más eficientes los traslados. A medida que se desarrollaban las grandes naciones, las necesidades militares primero y las comerciales después impulsaron la construcción de caminos carreteros. Aunque los caminos suelen estar diseñados principalmente para el paso de vehículos con ruedas, los Incas (quienes nunca llegaron a descubrir la rueda) construyeron una avanzada red de carreteras que atravesaba los Andes, partiendo desde la actual Ecuador y recorriendo 3.680 km. hacia el sur.
Los más grandes constructores de caminos del mundo antiguo fueron los romanos, que construyeron una red de vías de comunicación muy eficiente, la cual fue uno de los pilares de la expansión romana. En un principio dicho sistema de vías fue diseñado con fines militares y políticos, el mantener un control efectivo de las zonas incorporadas al Imperio era el principal objetivo de su construcción; posteriormente, las calzadas adquirieron una importancia económica añadida, pues al unir distintas regiones facilitaban el comercio y las comunicaciones.
A mediados del siglo XVIII Pierre Merie Trésaguet inició en Francia la construcción de pavimentos formados por tres capas de piedra triturada a mano, las dos primeras con tamaño máximo de 7.6 cm y un espesor conjunto del orden de 20 cm, sobre de ellas se colocaba una tercera capa de 5 cm de espesor con tamaño máximo de 2.5 cm, estos caminos se construían con cunetas laterales y pendiente transversal para atender los problemas de drenaje. Este tipo de procedimiento fue replicado por Thomas Telford en Escocia a principios del siglo XIX. Posteriormente John McAdam introdujo su sistema de pavimentación (macadam) construido con capas de piedra de granulometría uniforme, con tamaño máximo y espesores similares a los empleados por Telford, aglutinando las partículas con ligantes aplicados por riego.
Con el siglo XX se inicia la nueva era de los pavimentos, el crecimiento de la población y la revolución industrial hicieron necesario el transporte de volúmenes cada vez mayores de mercancías y personas, con la aparición de los vehículos con motor de combustión interna las vías terrestres tuvieron que modificarse para proporcionar el servicio requerido por estos cambios, a pesar de que los concretos hidráulicos y los ligantes asfálticos
eficiente de los vehículos a la velocidad de proyecto de la vía aún en presencia de precipitaciones.
Drenaje superficial .- La combinación de regularidad superficial, pendiente transversal y textura debe evitar que se presente una lámina de agua en la superficie del pavimento, ya que esta facilita el fenómeno de acuaplaneo además de que el rocío que generan las llantas de un vehículo al circular reducen a la visibilidad de los que lo siguen.
Reducir el ruido .- El ruido es un problema ambiental que genera problemas serios en la salud, un pavimento bien diseñado y construido puede reducir el ruido de manera considerable el ruido que se percibe tanto en el interior de los vehículos como en su entorno. Seguridad:
Proporcionar seguridad a los vehículos (que no se deslice el vehículo), que halla suficiente tracción en los vehículos y que las llantas no se deslicen.
Estructural:
Se refieren a las propiedades, sobre todo mecánicas de los materiales que conforman la estructura del pavimento. Por ejemplo la distribución de los esfuerzos que aplican las llantas para que no haga fallar la subrasante.
1.2.2 Factores que influyen en el diseño de pavimentos
TRAFICO
Precipitación pluvial
Carga bruta y presión de llanta Carga bruta y
POSICIÓN DE LA ESTRUCTURA Secciones de corte y relleno Profundidad del Nivel Freático Deslizamientos y problemas relacionados. Depósitos ligeramente profundos
CONSTRUCCIÓN Y MANTENIMIENTO
Deficiencia en la Compactación del Terreno de Fundación y/o Cimiento Expansión por congelamiento Deshielo del inicio de primavera Contracción y expansión. Congelamiento-deshielo y húmedo-seco
GEOMETRÍA DEL PROYECTO (DISEÑO VIAL) Distribución del Tráfico en el Pavimento
Fallas: Instalación y Mantenimiento de Juntas Inadecuada colocación de Guías en los niveles(Mandiles o Reglas Metalicas) Escarificado y eliminación de materiales superiores al especificado Durabilidad del Agregado(Arido) Partido(Fracturado)
2.2.1 Elementos de los pavimentos rígidos o de concreto Los elementos que conforman un pavimento rígido son: sub-rasante, sub-base y la losa de concreto. A continuación se hará una breve descripción de cada uno de los elementos que conforman el pavimento rígido.
a) Sub-rasante La sub-rasante es el soporte natural, preparado y compactado, en la cual se puede construir un pavimento. La función de la sub-rasante es dar un apoyo razonablemente uniforme, sin cambios bruscos en el valor soporte, es decir, mucho más importante es que la sub-rasante brinde un apoyo estable a que tenga una alta capacidad de soporte. Por lo tanto, se debe tener mucho cuidado con la expansión de suelos.
b) Sub-base La capa de sub-base es la porción de la estructura del pavimento rígido, que se encuentra entre la sub-rasante y la losa rígida. Consiste de una o más capas compactas de material granular o estabilizado; la función principal de la sub-base es prevenir el bombeo de los suelos de granos finos. La sub-base es obligatoria cuando la combinación de suelos, agua, y tráfico pueden generar el bombeo. Tales condiciones se presentan con frecuencia en el diseño de pavimentos para vías principales y de tránsito pesado.
MR recomendado por tipo de vía Tipo de vía MR recomendado (kg/cm^2 ) Autopistas 48 Urbanas principales 45 Urbanas secundarias 42
Valores de MR entre 50 y 55 son comunes para pavimentos de aeropuertos.
e) Las juntas: Las juntas son cortes longitudinales y transversales que tienen el rol de inducir fisuras por contracción del concreto, aislar el movimiento de los paños de elementos ajenos al pavimento, como buzones por ejemplo, y ser incluso parte del procedimiento constructivo del pavimento.
2.2.2 Tipos de pavimentos rígidos
A. Pavimentos de concreto simple con juntas: No contiene armadura en la losa y el espaciamiento entre juntas es pequeño (entre 2.50 a 4.50 metros ó 8 a 15 pies). Las juntas pueden o no tener dispositivos de transferencia de cargas (dovelas).
Sin pasadores. Son pavimentos que no presentan refuerzo de acero ni elementos para transferencia de cargas, ésta se logra a través de la trabazón (interlock) de los 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. Están constituidos por losas de dimensiones relativamente pequeñas, en general menores de 6 m de largo y 3.5 m de ancho. Los espesores varían de acuerdo al uso previsto. Por ejemplo para calles de urbanizaciones residenciales, éstos varían entre 10 y 15 cm, en las denominadas colectoras entre 15 y 17 cm. En carreteras se obtienen espesores de 16 cm. En aeropistas y autopistas 20 cm o más.
C. Pavimentos de concreto continuamente reforzados: Tiene armadura continua longitudinal y no tiene juntas transversales, excepto juntas de construcción. La armadura transversal es opcional en este caso. Estos pavimentos tienen más armadura que las juntas armadas y el objetivo de esta armadura es mantener un espaciamiento adecuado entre fisuras y que éstas permanezcan cerradas.
D. Pavimentos de Concreto Pretensado o Postensado.
E. Pavimentos de Concreto Compactado con Rodillos .- Su regularidad superficial es deficiente por lo que son más empleados en caminos mineros, madereros, etc.
2.2.3 Materiales necesarios para la elaboración de una estructura de pavimento de concreto hidráulico.
a) Cemento: El cemento a utilizar para la elaboración del concreto será preferentemente Portland, de marca aprobada oficialmente, el cual deberá cumplir lo especificado en las normas NMX - C-414 - 1999 - ONNCCE.
b) Agua: El agua que se emplee en la fabricación del concreto deberá cumplir con la norma NMX-C-122, debe ser potable, y por lo tanto, estar libre de materiales perjudiciales tales como aceites, grasas, materia orgánica, etc.
c) Materiales pétreos: Estos materiales se sujetarán al tratamiento o tratamientos necesarios para cumplir con los requisitos de calidad que se indican en cada caso, debiendo el contratista prever las características en el almacén y los tratamientos necesarios para su ulterior utilización.
d) Aditivos: Deberán emplearse aditivos del tipo “D” reductores de agua y retardantes con la dosificación requerida para que la manejabilidad de la mezcla permanezca durante dos (2) horas a partir de la finalización del mezclado a la temperatura estándar de veintitrés grados centígrados (23° C) y no se produzca el fraguado después de cuatro (4) horas a partir de la finalización del mezclado.
e) Concreto: El diseño de la mezcla, utilizando los agregados provenientes de los bancos ya tratados, será responsabilidad del productor de concreto quien tiene la obligación de obtener la resistencia y todas las demás características para el concreto fresco y endurecido, así como las características adecuadas para lograr los acabados del pavimento.
f) Membrana de Curado: Para el curado de la superficie del concreto recién colada deberá emplearse una Membrana de Curado de emulsión en agua y base parafina de color claro, el que deberá cumplir con los requisitos de calidad que se describen en la normas ASTM C171, ASTM C309, Tipo 2, Clase A, AASHTO M 148, Tipo 2, Clase A, FAA Item P-610-2.10. Este tipo de membranas evitan que se tapen las esperas de los equipos de rociado.
g) Acero de refuerzo: El acero de refuerzo necesario para la construcción del pavimento se utiliza en las juntas, ya sea como pasadores de cortante o pasajuntas o como barras de amarre para mantener los cuerpos del pavimento unidos.
h) Sellador para juntas: El material sellante para las juntas transversales y longitudinales deberá ser elástico, resistente a los efectos de combustibles y aceites automotrices, con propiedades adherentes con el concreto y que permita las dilataciones y contracciones que se presenten en las losas de concreto sin degradarse, debiéndose emplear productos a base de silicona, poliuretano - asfalto o similares, los cuales deberán ser autonivelantes, de un solo componente y solidificarse a temperatura ambiente.
2.2.4 Preparación del Terreno para construir una estructura de pavimento rígido.
Para construir correctamente un pavimento de concreto, es muy importante considerar una serie de pasos al preparar el terreno, proceso conocido como diseño y construcción de las subrasantes:
1 Compactación de los suelos, de esta forma se garantiza un apoyo uniforme y estable para el pavimento. 2 Fijado de la rasante, consiste en la excavación de zanjas laterales, lo suficientemente profundas para aumentar la distancia vertical entre el nivel freático y el pavimento. 3 Uniformado del terreno en zonas donde se tengan cambios bruscos en sentido horizontal del tipo de suelo. 4 Nivelación selectiva de la rasante en zonas de terraplén, a fin de colocar los mejores suelos cerca de la parte superior de la elevación de la subrasante.
2.2.5 Aplicaciones del Pavimentos Rígidos:
a) Aeropistas.- En los aeropuertos, donde se demanda un mínimo de prórroga para la
utilización del Pavimento terminado, se ha empleado un sistema de apertura rápida; éste
consiste en el colado secuencial del pavimento en la reconstrucción de pistas aéreas y
plataformas.
b) Vialidades urbanas.- La reconstrucción de vialidades urbanas se ha convertido en
uno de los principales problemas, pues además del tiempo y costo, afectan al tránsito
vehicular.
Descarga y distribución manual del concreto: La descarga del concreto debe ser lo más baja posible para prevenir su segregación. A continuación, el concreto es esparcido en el ancho de la franja por pavimentar.
Pavimentación con regla: El concreto no debe sobrepasar los bordes de la formaleta, pues la regla no está diseñada para empujar el concreto. Si la regla no es vibratoria, el concreto se deberá vibrar antes del paso de la regla.
Construcción con rodillo vibratorio: Equipo conformado por uno o más rodillos lisos que giran accionados por un motor, en la dirección opuesta a la cual son empujados. Al ser empujados sobre la formaleta, los rodillos extienden, compactan y alisan el concreto.
Colocación del concreto con pavimentadora de formaleta deslizante: La pavimentadora se desplaza sobre orugas controladas por sensores láser orientados por hilos colocados previamente por una comisión de topografía.
La pavimentadora distribuye el concreto en todo el ancho de construcción por medio de un tornillo sinfín. La máquina dispone de una batería de vibradores, de amplitud y frecuencia variables, que eliminan el aire atrapado en la mezcla y ayudan a distribuirla adecuadamente. Después de vibrado, el concreto pasa a la formaleta deslizante, la cual está compuesta por láminas verticales paralelas al sentido de desplazamiento de la pavimentadora y una placa superior que determina el espesor de la capa por colocar.
Vibrado y nivelación : Una vez extendido el concreto e insertadas las varillas, una llana flotadora sella los poros y restablece la textura de la superficie del pavimento.
Microtexturizado longitudinal: Tras la pavimentadora se arrastra una tela de yute húmeda que crea un microtexturizado longitudinal en la superficie, para evitar el deslizamiento de los vehículos cuando el pavimento se encuentre húmedo.
Terminado superficial: Empleando una llana manual pesada, se eliminan las imperfecciones que aun pueda presentar la superficie.
Típicamente el diseño de los pavimentos es mayormente influenciado por los parámetros o factores de diseño Las cargas de tráfico vehicular impuestas al pavimento. Resistencia de los materiales Resistencia de los materiales Las características de la sub-rasante sobre la que se asienta el pavimento. Características de la subrasante Condiciones ambientales
La forma como se consideran estos dos parámetros dependerá de la metodología que se emplee para el diseño.
3.1.1 Método de diseño
Se podrá utilizar cualquier método de diseño estructural sustentado en teorías y
experiencias a largo plazo, tales como las metodologías del Instituto del Asfalto,
de la AASHTO-93 y de la PCA, comúnmente empleadas en el Perú, siempre que se
utilice la última versión vigente en su país de origen y que al criterio del PR, sea
aplicable a la realidad nacional. El uso de cualquier otra metodología de diseño obliga a incluirla como anexo a la Memoria Descriptiva.
3.1.2 Diseño estructural
En cualquier caso se efectuará el diseño estructural considerando los siguientes factores:
a) Calidad y valor portante del suelo de fundación y de la sub-rasante.
b) Características y volumen del tránsito durante el período de diseño.
c) Vida útil del pavimento.
d) Condiciones climáticas y de drenaje.
e) Características geométricas de la vía. f) Tipo de pavimento a usarse.
3.1.3 Método Guía AASHTO 93 de diseño para pavimentos flexibles Este procedimiento está basado en modelos que fueron desarrollados en función de la performance del pavimento, las cargas vehiculares y resistencia de la sub-rasantes para el cálculo de espesores. Se incluye más adelante la ecuación de cálculo en la versión de la Guía AASHTO – 93. El propósito del modelo es el cálculo del Numero Estructural requerido (SNr), en base al cual se identifican y determinan un conjunto de espesores de cada capa de la estructura del pavimento, que deben ser construidas sobre la sub-rasante para soportar las cargas vehiculares con aceptable serviciabilidad durante el periodo de diseño establecido en el proyecto.
a) Garantizar una durabilidad satisfactoria dentro de las condiciones de requerimiento del Pavimento. b) Para asegurar la resistencia deseada a la flexión
C. Análisis del Tráfico - Clasificación de Vía. Se obtendrán a partir del número de vehículos que, probablemente, pasarán diariamente por el sistema vial proyectado.
D. Diseño Geométrico. El diseño geométrico es el resultado del análisis de la geometría vial de un proyecto (Altimetría y Planimetría).
E. Diseño Estructural : Soluciones típicas. Se clasifican en tres grupos:
Teóricas: Son aquellas metodologías que asimilan o modelan la estructura del pavimento en función del estudio elástico de sistemas multicapas, sometidos a cargas estáticas. Empíricas: Estas renuncian a la utilización de los resultados de la mecánica y se limitan a una clasificación de suelos y de tipos de pavimentos más usuales experimentales. Semiempíricas: Llamadas últimamente “Diseños Mecanicistas-Empíricos” combinan los resultados anteriores y preparan circuitos de ensayos en Laboratorio o Vías de servicio. Estos métodos son los que tienen mayor difusión y son a la vez los más racionales.
F. Juntas. Los efectos de retracción y de gradientes térmicos en las losas de concreto producen, inevitablemente (excepto en el pretensado), fisuramiento, que
sólo podemos controlar o dirigir, precisamente, por medio de líneas de roturas impuestas, llamadas “juntas”. Se distinguen 4 tipos de Juntas:
De Dilatación De Construcción Longitudinal De Retracción - Flexión De Construcción Transversal
G. Especificaciones Técnicas: Son elementos descriptivos, cualitativos y cuantitativos para la ejecución correcta del Pavimento de Concreto Hidráulico. Está normalizada por la institución que manejan el sistema vial del Perú: Dirección (MTC) basadas y adaptadas de las normas internacionales, como la ASTM, AASHTO y la PCA, las que determinan a que se elaboren dos tipos de ellas: las especificaciones generales y las especificaciones especiales.
1. Método de Diseño PCA Este método se basa en dos criterios específicos, uno relativo a la resistencia a la fatiga del hormigón y el otro a la erosión de la base. En el primer caso, se supone que la carga máxima se aplica en medio de la losa justo sobre la junta longitudinal que da la tensión máxima con la losa. En el segundo caso, se supone que la carga máxima se aplica en una esquina de la losa para generar deflexión máxima de la losa. Cuando se usa este método de diseño, hay que conocer cuatro parámetros fundamentales: El módulo de ruptura del hormigón, El módulo de reacción de la fundación El periodo de diseño, Las características del tráfico. 2. Método de Diseño ASSHTO Este método se basa en el uso de una ecuación empírica desarrollada por la observación de algunos pavimentos de hormigón estudiados durante ensayos de AASHTO sobre carreteras. Los criterios de diseño son: El número de equivalentes cargas axiales de 80 kN, El espesor de la losa, El módulo de elasticidad del hormigón, El módulo de ruptura del hormigón, El módulo de reacción de la fundación, El coeficiente de transferencia de carga en las juntas El coeficiente de drenaje 3. Metodología de Diseño ASSHTO 93
El método AASHTO 93 estima que para una construcción nueva el pavimento comienza a dar servicio a un nivel alto. A medida que transcurre el tiempo, y con él las repeticiones
