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UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA DEPARTAMENTO DE OBRAS CIVILES VALPARAISO – CHILE
SENSIBILIZACIÓN DE LOS PARÁMETROS UTILIZADOS
EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS POR LA
GUÍA EMPÍRICO – MECANICISTA DE DISEÑO DE
PAVIMENTOS GEMDP AASHTO 2008
FERNANDO SOTOMAYOR ALEJANDRE
Memoria para optar al Título de
Ingeniería Civil
Profesor Guía
Rodrigo Delgadillo Sturla
Agosto de 2017
I
RESUMEN
La Guía Empírico – Mecanicista de Diseño de Pavimentos y el programa de diseño basado en ésta, son resultado de los proyectos de investigación catalogados NCHRP1- 37A, NCHRP1-40D y NCHRP1-40E. La guía y el software fueron adoptados oficialmente por la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) el año 2008 y actualizados el año 2015.
Durante los últimos años, a nivel regional y nacional, se han desarrollado varios estudios y memorias de título relacionados con la Guía Empírico – Mecanicista de Diseño de Pavimentos. En dichas memorias, principalmente, se han realizado calibraciones de los modelos de deterioro, y los datos necesarios, utilizados por la Guía Empírico – Mecanicista de Diseño de Pavimentos para la realidad chilena, ya que, dado que esta fue concebida en Estados Unidos de América, los modelos de deterioro y distintos parámetros están calibrados para esa realidad.
El presente estudio surge de la necesidad de evaluar el método propuesto por la Guía Empírico – Mecanicista de Diseño de Pavimentos bajo las condiciones reales de nuestro país. Esto es, emplear los datos y calibraciones realizadas en estudios y memorias anteriores, para, mediante la utilización del software de la Guía Empírico – Mecanicista de Diseño de Pavimentos, analizar, diseñar y comparar con las metodologías tradicionales (AASHTO 98 y Manual de Carreteras) actualmente utilizadas en Chile.
Se desarrollará una breve descripción de ambos métodos y la metodología que utilizan para el diseño de pavimentos rígidos nuevos. También se explicarán los beneficios, principales innovaciones del método empírico – mecanicista y consideraciones importantes a tomar en cuenta al momento de diseñar con la Guía Empírico – Mecanicista de Diseño de Pavimentos.
Los datos de clima, tránsito y parámetros necesarios para la caracterización de los materiales obtenidos en estudios previos, tal como se comentó, serán procesados y se establecerán valores base y rangos de variación para generar distintos análisis de sensibilidad, donde se medirá la respuesta de los criterios de desempeño propuestos por el método empírico – mecanicista a un parámetro dado. Este análisis de sensibilidad se centrará en los parámetros requeridos para caracterizar el hormigón.
Se realizará también, un análisis de sensibilidad, donde se medirá la incidencia del largo de losa y el Alabeo permanente por construcción, en los criterios de desempeño. Este último parámetro no es utilizado en Chile para el diseño de pavimentos rígidos, por lo que conocer el efecto teórico que tiene sobre el diseño de pavimentos es importante.
Finalmente, se concluirá sobre los resultados obtenidos a lo largo del desarrollo de esta memoria y la relevancia que tienen en el diseño de pavimentos rígidos nuevos utilizando la Guía Empírico – Mecanicista de Diseño de Pavimentos.
III
GLOSARIO
AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials (Asociación Americana de Oficiales de Carreteras Estatales y Transportación)
CBR : California Bearing Ratio (Ensayo de Relación de Soporte de California)
CDFs : Cumulative Distribution Functions (Funciones de Distribución Acumulada)
DCV : Distribución por Clase Vehicular
DS : Decreto Supremo
EALF : Equivalent Axle Load Factor (FEE: Factor Eje Equivalente en español)
ESAL : Equivalent Simple Axle Load (EE: Eje Equivalente en español)
FAM : Factor de Ajuste Mensual
FDD : Factor de Distribución Direccional
FDH : Factor de Distribución Horaria
FDP : Factor de Distribución por Pista
FECV : Factor de Equivalencia de Carga Vehicular
FHWA : Federal Highway Administration
IRI : International Roughness Index (Indicador de Rugosidad Internacional)
JPCP : Jointed Plain Concrete Pavement (Pavimento de hormigón con juntas simples)
LTPP : Long-Term Pavement Performance (Programa de comportamiento de Pavimento a Largo Plazo)
MOP : Ministerio de Obras Públicas
MEPDG : Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (Guía de Diseño de Pavimentos Empírico-Mecanicista)
NCHRP : National Cooperative Highway Research Program (Programa Nacional Corporativo de Investigación de Carreteras)
NEC : Número de Ejes por tipo de Camión
TDMAC : Transito Diario Medio Anual de Camiones
°C : Grados Celsius
cm : Centímetro
ft : Pie (unidad de medida de longitud equivalente a 0.3048 metros)
hr : Hora
in : Pulgada (unidad de medida de longitud equivalente a 2.54 centímetros)
J : Joule (unidad de medida de energía en el sistema internacional)
IV
K : Grados Kelvin
kg : Kilogramo
kip : Kilo libra (unidad de medida de masa equivalente a 1000 libras)
kN : Kilo newton
lb : Libra (unidad de medida de masa equivalente a 0.4563 kilógramos)
m : Metro
mm : Milímetro
MM : Millón
MPa : Mega Pascal
psi : Libra por pulgada cuadrada
s : Segundo
T : Tonelada
𝝁𝝁 : Módulo de Poisson de un material
VI
RASANTE) EN LA GUÍA EMPÍRICO-MECANICISTA DE DISEÑO DE PAVIMENTOS.
6. SENSIBILIZACIÓN DE LOS PARÁMETROS NECESARIOS PARA LA
CARACTERIZACIÓN DEL HORMIGÓN EN LOS CRITERIOS DE DESEMPEÑO
6.2. BASES DE DATOS Y CRITERIOS NECESARIOS PARA MATRIZ DE CASOS
VII
7. RESULTADOS DEL ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE LOS PARÁMETROS
IX
T ABLA 5.7-3: VALORES BASE PARA AGRIETAMIENTO TRANSVERSAL ................................ 113
T ABLA 5.7-4: VALORES BASE PARA CONFIABILIDAD ........................................................ 114
T ABLA 6.2-1: ESTACIONES CLIMÁTICAS UTILIZADAS ........................................................ 115
T ABLA 6.2-2: ESPECTROS DE CARGA COMPLETOS POR EJE UTILIZADOS ......................... 115
T ABLA 6.2-3: EQUIVALENCIA ENTRE EE Y ESPECTROS DE CARGA COMPLETOS POR EJE. 116
T ABLA 6.2-4: VALORES DE L ARGOS DE LOSA UTILIZADOS ................................................ 116
T ABLA 6.2-5: VALORES DE ALABEO PERMANENTE POR CONSTRUCCIÓN UTILIZADOS ........ 117
T ABLA 7.5-1: RESUMEN DE SENSIBILIDAD DE CRITERIOS DE DESEMPEÑO RESPECTIVO A
CADA PARÁMETRO .................................................................................................. 139
T ABLA 7.5-2: RESUMEN DE SENSIBILIDAD DE CRITERIOS DE DESEMPEÑO RESPECTIVO A
CADA PARÁMETRO (E STUDIO INTERNACIONAL) ........................................................ 140
T ABLA 7.5-3: RESUMEN DE PARÁMETROS MÁS SENSIBLES SEGÚN AUTORES .................... 140
T ABLA 7.5-4: RESUMEN PARÁMETROS MÁS SENSIBLES "SENSITIVITY QUANTIFICATION OF
JOINTED PLAIN CONCRETE PAVEMENT MECHANISTIC- EMPIRICAL PERFORMANCE
PREDICTIONS” (2013). CEYLAN, KIM , GOPALAKRISHNAN, SCHWARTZ AND L I. ........... 141
T ABLA 8.1-1: VALORES DE L ARGO DE LOSA Y ALABEO PERMANENTE POR CONSTRUCCIÓN
USADOS EN EL ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD ............................................................... 142
X
ÍNDICE DE FIGURAS
F IGURA 2.1-1: UBICACIÓN DEL E XPERIMENTO VIAL DE LA AASHO SOBRE LA FUTURA
AUTOPISTA INTERURBANA I-80, DE LA RED I NTERESTATAL DE LOS ESTADOS UNIDOS .. 20
F IGURA 2.1-2: CARACTERÍSTICAS DE LAS SECCIONES DE PRUEBA EN LOS CIRCUITOS ........ 21
F IGURA 2.1-3: CIRCUITOS DE PRUEBA DE AASHO ROAD T EST ......................................... 21
F IGURA 2.1-4: ETAPA DE CONSTRUCCIÓN DE LAS PISTAS DE PRUEBA DEL E XPERIMENTO
VIAL DE LA AASHO .................................................................................................. 22
F IGURA 2.1-5: T IPOS DE CARGA POR “ EJE SIMPLE” Y “ EJE DOBLE” UTILIZADOS EN LOS
DIFERENTES CIRCUITOS DEL EXPERIMENTO VIAL DE LA AASHO ................................ 23
F IGURA 2.1-6: NOMOGRAMA DE DISEÑO PARA PAVIMENTOS RÍGIDOS. CON MODELACIÓN DE
SU USO SEGÚN GUÍA AASHTO 93 ............................................................................ 26
F IGURA 2.1-7: CONTINUACIÓN DE NOMOGRAMA DE DISEÑO PARA PAVIMENTOS RÍGIDOS
SEGÚN GUÍA AASHTO 93 ........................................................................................ 27
F IGURA 2.1-8: REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL PERÍODO DE ANÁLISIS ............................... 28
F IGURA 2.1-9: DEFINICIÓN GRÁFICA DE LA CONFIABILIDAD (R) Y EL FACTOR DE SEGURIDAD
DE DISEÑO (F R) ........................................................................................................ 33
F IGURA 2.1-10: NIVEL ÓPTIMO DE CONFIABILIDAD ............................................................ 36
F IGURA 2.1-11: PLANILLA DE EVALUACIÓN DEL VALOR DEL PSR ....................................... 37
F IGURA 2.1-12: SIGNIFICADO DE LOS PRINCIPALES TÉRMINOS DE LA ECUACIÓN DEL PSI.... 38
F IGURA 2.1-13: T ENDENCIA EN EL COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS ...................... 40
F IGURA 2.1-14: RELACIÓN APROXIMADA ENTRE LOS VALORES K Y OTRAS PROPIEDADES DEL
SUELO ..................................................................................................................... 41
F IGURA 2.1-15: T RANSFERENCIA DE CARGA ..................................................................... 44
F IGURA 2.1-16: PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE ESPESOR DE LOSA .................................. 52
F IGURA 2.1-17: VERIFICACIÓN DE ESCALONAMIENTO EN J UNTAS T RANSVERSALES ........... 60
F IGURA 2.1-18: VERIFICACIÓN DEL ESPESOR POR CARGA DE ESQUINA .............................. 61
F IGURA 2.2-1: POSIBLE ESTRUCTURA DE PAVIMENTO DE HORMIGÓN ................................. 64
F IGURA 2.2-2: POSICIÓN CRÍTICA PARA AGRIETAMIENTO DE ABAJO HACIA ARRIBA ............. 69
F IGURA^ 2.2-3:^ POSICIÓN CRÍTICA PARA^ AGRIETAMIENTO DE ARRIBA HACIA ABAJO^ .............^70
F IGURA 2.2-4: POSICIÓN CRÍTICA PARA ESCALONAMIENTO ................................................ 71
F IGURA 2.2-5: CONCEPTO DE LA CONFIABILIDAD EN EL DISEÑO PARA LA RUGOSIDAD (IRI). 73
F IGURA 2.2-6: EJEMPLO DEL CONCEPTO DE LA CONFIABILIDAD DEL 80% PARA LA
PREDICCIÓN DEL AGRIETAMIENTO ............................................................................. 74
F IGURA 3.2-1: DIFERENCIA ENTRE EL ESPESOR OBTENIDO POR MC Y LOS ESPESORES
OBTENIDOS POR LA GEMDP AASHTO 2008 BAJO EL CRITERIO DE AGRIETAMIENTO
(E[MC] – E[GEMDPAGRIET]) (MEMORIA ITURRIAGA 2014) ..................................... 84
F IGURA 4.2-1: ESTRUCTURA COMÚN DE UN PAVIMENTO RÍGIDO ........................................ 90
F IGURA 6.2-1: REPRESENTACIÓN ALABEO PERMANENTE POR CONSTRUCCIÓN ................ 117
F IGURA 6.3-1: F ORMATO DE NOMBRE DE ARCHIVOS PARA MATRIZ DE CASOS .................. 118
F IGURA 6.4-1: MATRIZ DE CASOS (EE, T RÁFICO , CLIMA) ................................................ 119
F IGURA 6.4-2: MATRIZ DE CASOS PARA T RÁFICO : ARICA Y CLIMA: ARICA ........................ 119
F IGURA 6.4-3: MATRIZ DE CASOS PARA T RÁFICO : ARICA Y CLIMA: SANTIAGO ................. 120
F IGURA 6.4-4: MATRIZ DE CASOS PARA T RÁFICO : ARICA Y CLIMA: PUNTA ARENAS ......... 120
F IGURA 6.4-5: MATRIZ DE CASOS PARA T RÁFICO : SANTIAGO Y CLIMA: ARICA ................. 121
F IGURA 6.4-6: MATRIZ DE CASOS PARA T RÁFICO : SANTIAGO Y CLIMA: SANTIAGO ........... 121
F IGURA 6.4-7: MATRIZ DE CASOS PARA T RÁFICO : SANTIAGO Y CLIMA : PUNTA ARENAS ... 122
XII
F IGURA 8.3-1: SENSIBILIZACIÓN T EMPERATURA ESFUERZO CERO - ESCALONAMIENTO
(T RÁFICO : TODOS, CLIMA: ARICA) .......................................................................... 154
F IGURA 8.3-2: SENSIBILIZACIÓN T EMPERATURA ESFUERZO CERO - ESCALONAMIENTO
(T RÁFICO : TODOS, CLIMA: PUNTA ARENAS) ............................................................ 155
F IGURA 8.3-3: SENSIBILIZACIÓN T EMPERATURA ESFUERZO CERO - ESCALONAMIENTO
(T RÁFICO : TODOS, CLIMA: SANTIAGO ) .................................................................... 155
F IGURA 8.3-4: SENSIBILIZACIÓN COEFICIENTE DE EXPANSIÓN T ÉRMICA - ESCALONAMIENTO
(T RÁFICO : TODOS, CLIMA: ARICA) .......................................................................... 156
F IGURA 8.3-5: SENSIBILIZACIÓN COEFICIENTE DE EXPANSIÓN T ÉRMICA - ESCALONAMIENTO
(T RÁFICO : TODOS, CLIMA: PUNTA ARENAS) ............................................................ 156
F IGURA 8.3-6: SENSIBILIZACIÓN COEFICIENTE DE EXPANSIÓN T ÉRMICA - ESCALONAMIENTO
(T RÁFICO : TODOS, CLIMA: SANTIAGO ) .................................................................... 157
F IGURA 8.3-7: SENSIBILIZACIÓN RETRACCIÓN REVERSIBLE - ESCALONAMIENTO (T RÁFICO :
T ODOS, CLIMA: ARICA) ........................................................................................... 157
F IGURA 8.3-8: SENSIBILIZACIÓN RETRACCIÓN REVERSIBLE - ESCALONAMIENTO (T RÁFICO :
T ODOS, CLIMA: PUNTA ARENAS) ............................................................................ 158
F IGURA 8.3-9: SENSIBILIZACIÓN RETRACCIÓN REVERSIBLE - ESCALONAMIENTO (T RÁFICO :
T ODOS, CLIMA: SANTIAGO ) .................................................................................... 158
F IGURA 8.3-10: SENSIBILIZACIÓN CONDUCTIVIDAD T ÉRMICA - ESCALONAMIENTO (T RÁFICO :
T ODOS, CLIMA: ARICA) ........................................................................................... 159
F IGURA 8.3-11: SENSIBILIZACIÓN CONDUCTIVIDAD T ÉRMICA - ESCALONAMIENTO (T RÁFICO :
T ODOS, CLIMA: PUNTA ARENAS) ............................................................................ 159
F IGURA 8.3-12: SENSIBILIZACIÓN CONDUCTIVIDAD T ÉRMICA - ESCALONAMIENTO (T RÁFICO :
T ODOS, CLIMA: SANTIAGO ) .................................................................................... 160
F IGURA 8.4-1: SENSIBILIZACIÓN T EMPERATURA ESFUERZO CERO - IRI (T RÁFICO : T ODOS,
CLIMA: ARICA) ....................................................................................................... 163
F IGURA 8.4-2: SENSIBILIZACIÓN T EMPERATURA ESFUERZO CERO - IRI (T RÁFICO : T ODOS,
CLIMA: PUNTA ARENAS) ......................................................................................... 163
F IGURA 8.4-3: SENSIBILIZACIÓN T EMPERATURA ESFUERZO CERO - IRI (T RÁFICO : T ODOS,
CLIMA: SANTIAGO ) ................................................................................................. 164
F IGURA 8.4-4: SENSIBILIZACIÓN CONTENIDO DE CEMENTO - IRI (T RÁFICO : TODOS, CLIMA:
ARICA) ................................................................................................................... 164
F IGURA 8.4-5: SENSIBILIZACIÓN CONTENIDO DE CEMENTO - IRI (T RÁFICO : TODOS, CLIMA:
PUNTA ARENAS) .................................................................................................... 165
F IGURA 8.4-6: SENSIBILIZACIÓN CONTENIDO DE CEMENTO - IRI (T RÁFICO : TODOS, CLIMA:
SANTIAGO ) ............................................................................................................ 165
F IGURA 8.4-7: SENSIBILIZACIÓN CAPACIDAD CALORÍFICA - IRI (T RÁFICO : TODOS, CLIMA:
ARICA) ................................................................................................................... 166
F IGURA 8.4-8: SENSIBILIZACIÓN CAPACIDAD CALORÍFICA - IRI (T RÁFICO : TODOS, CLIMA:
PUNTA ARENAS) .................................................................................................... 166
F IGURA 8.4-9: SENSIBILIZACIÓN CAPACIDAD CALORÍFICA - IRI (T RÁFICO : TODOS, CLIMA:
SANTIAGO ) ............................................................................................................ 167
F IGURA 8.4-10: SENSIBILIZACIÓN RETRACCIÓN REVERSIBLE - IRI (T RÁFICO : T ODOS, CLIMA:
ARICA) ................................................................................................................... 167
F IGURA 8.4-11: SENSIBILIZACIÓN RETRACCIÓN REVERSIBLE - IRI (T RÁFICO : T ODOS, CLIMA:
PUNTA ARENAS) .................................................................................................... 168
F IGURA 8.4-12: SENSIBILIZACIÓN RETRACCIÓN REVERSIBLE - IRI (T RÁFICO : T ODOS, CLIMA:
SANTIAGO ) ............................................................................................................ 168
1. INTRODUCCIÓN
1.1. ANTECEDENTES GENERALES
El desarrollo de una nación se refleja enormemente en el desarrollo de la infraestructura del mismo. Este punto toca directamente el desarrollo del sistema vial del país, el cual, con su modernización, permite fortalecer las comunicaciones, el transporte y por ende mejorar la competitividad nacional. En Chile, el cambio ha sido notorio y ha tomado énfasis en las últimas dos décadas, con el desarrollo y mejoramiento de la infraestructura vial acorde a las exigencias internacionales.
El diseño y mantenimiento de la infraestructura vial del país es una responsabilidad esencial. Un buen diseño en los pavimentos refleja un menor mantenimiento y reparación del mismo, otorgando beneficios tanto al Estado a través del ahorro en costo y tiempo, como a los usuarios de la vía, entregándoles un mejor confort en la conducción.
Es así como las exigencias en los métodos de diseño también se han elevado, requiriendo cada vez más de procedimientos de diseño precisos. La evolución de estos ha sido desde aquellos métodos puramente empíricos, desarrollados a partir de experimentos de rodado a escala real y basados en ecuaciones de desempeño empíricas limitadas, los que están siendo reemplazados paulatinamente por aquellos métodos que presentan un enfoque del tipo mecanicista y que incorporan conceptos de la ciencia de materiales y ciencias de la ingeniería.
En materia de diseño estructural, en la actualidad el diseño de pavimentos nuevos y rehabilitados en el país es realizado en base fundamentalmente a las recomendaciones establecidas en la Guía para el Diseño de Estructuras de Pavimento AASHTO (Asociación Americana de Oficiales de Carreteras Estatales y Transportación) edición 1993 junto a su suplemento para pavimentos rígidos de 1998, los cuales corresponden a una metodología empírica, que tiene sus fundamentos principalmente en la prueba “AASHO Road Test”, desarrollada entre los años 1958 y 1960. Esta metodología utiliza ejes equivalentes de carga (ESAL) de 80 [kN] (18 [kip]) que se basan en factores de ejes equivalentes (FEE) que son una función del (i) tipo de pavimento, (ii) espesor de la losa o número estructural, (iii) tipo de eje y carga, y (iv) el índice de serviciabilidad terminal.
A partir de la década del 90 se visualizó la necesidad de tener una nueva guía de diseño de pavimentos basada en una metodología Empírico - Mecanicista la cual, en base a la mecánica de los materiales, determinara la respuesta del pavimento (esfuerzos y deformaciones) ante situaciones críticas de carga y clima, usando modelos matemáticos que relacionaran la respuesta del pavimento con su comportamiento (predicción de deterioros y rugosidad). Fue entonces que la “AASHTO Joint Task Force on Pavements”, la “Federal Highway Administration” y el “National Cooperative Highway Research Program”, patrocinaron el desarrollo del proyecto denominado NCHRP 1-37A junto a los proyectos NCHRP1-40D y NCHRP1-40E, dando como resultado la guía denominada “MEPDG” (Mechanistic – Empirical Pavement Design Guide). De aquí en adelante, nos referiremos a la Guía Empírico - Mecanicista de Diseño de Pavimentos por su sigla en español “GEMDP”. Finalmente, en el año 2008, AASHTO publicó en calidad de Guía Interina la “GEMDP”, para el uso práctico de este nuevo método de diseño de pavimentos.
El desarrollo de la GEMDP AASHTO 2008 ha cambiado los requisitos de caracterización del tráfico para el diseño de pavimentos, utilizando los espectros normalizados de carga en lugar de los ejes equivalentes. Además, la GEMDP AASHTO 2008 no desarrolla el performance del pavimento en términos de la serviciabilidad, sino que se basa en deterioros
Tran et. Al (2008)^9 , Moon (2009)^10 , Johanneck and Khazanovich (2010)^11 y Elzo et al. (2014), que concluyen que la tendencia en el comportamiento de los pavimentos rígidos es consistente con las expectativas de la ingeniería, sin embargo, la heterogeneidad de los criterios establecidos por los diferentes estudios para clasificar la sensibilidad de los parámetros dificulta la comparación directa de los resultados entre una y otra publicación.
Los resultados de las investigaciones internacionales no son necesariamente aplicables directamente a nuestro país. La existencia de interacciones entre las variables de tráfico, clima y propiedades del hormigón de los pavimentos hace necesario realizar una sensibilización considerando las condiciones nacionales. Puede que parámetros que hayan resultado sensibles para otros climas o tránsitos no sean sensibles para nuestras condiciones, o viceversa.
1.2. OBJETIVOS DEL ESTUDIO
Los objetivos generales de este estudio son dos. En primer lugar, se hará una comparación descriptiva entre los parámetros utilizados por el método actual, utilizado para el diseño de pavimentos rígidos en Chile y los requeridos por el método GEMDP AASHTO 2008. Estos parámetros aplican al tráfico y a los materiales utilizados en el diseño de pavimentos rígidos. Posteriormente, se realizará una sensibilización de los parámetros involucrados en el diseño de pavimentos rígidos relativos al material hormigón, utilizando los modelos de deterioro de la GEMDP AASHTO 2008 ya calibrados para Chile, en conjunto con información climática y de tránsito chilenos.
Para materializar dicha meta se deben cumplir los siguientes objetivos específicos:
- Describir de manera resumida el procedimiento de diseño utilizado por el Ministerio de Obras Públicas (MOP) en el Manual de Carreteras para pavimentos rígidos nuevos.
- Describir de manera resumida el procedimiento utilizado por el software de la GEMDP AASHTO 2008 en el diseño de pavimentos rígidos nuevos.
- Realizar una comparación descriptiva entre parámetros utilizados por cada método de diseño (Manual de Carreteras Volumen 3 y la GEMDP AASHTO 2008) y evaluar su importancia, relativos a la caracterización del tráfico.
- Realizar una comparación descriptiva entre parámetros utilizados por cada método de diseño (Manual de Carreteras Volumen 3 y la GEMDP AASHTO 2008) y evaluar su importancia, relativos a la caracterización de los materiales.
- Establecer valores teóricos base y rangos para las variables de entrada asociadas a la capa de hormigón y otras capas que componen el pavimento rígido, que guarden relación con los materiales empleados y disponibles en el país, su geometría y su influencia sobre los diseños y criterios de desempeño.
- Analizar la sensibilidad en el diseño de pavimentos rígidos a partir de los valores base obtenidos para los parámetros de tráfico, clima y materiales requeridos por el software de la GEMDP AASHTO 2008 tomando en cuenta la realidad chilena.
- Presentar los resultados del Análisis de Sensibilidad respecto a los criterios de desempeño de pavimentos rígidos nuevos utilizados en la GEMDP AASHTO 2008.
(^9) Coefficient of Thermal Expansion of Concrete Materials: Characterization to Support Implementation of the Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide, Transportation Research Record Journal, Tran et al., 2008 (^10) Evaluation of MEPDG with TxDOT Rigid Pavement Database, FHWA/TX-09/0-5445-3, Moon, 2009 (^11) Comprehensive Evaluation of Effect of Climate in Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide Predictions, Transportation Research Record Journal, Johanneck and Khazanovich, 2010
- Analizar la sensibilidad teórica, en el diseño de pavimentos rígidos, del largo de losa y el Alabeo permanente por construcción y presentar los resultados respecto a los criterios de desempeño de pavimentos rígidos nuevos utilizados en la GEMDP AASHTO 2008.
1.3. ALCANCES DEL ESTUDIO
Este estudio se encuentra limitado a lo siguiente:
- Los procedimientos de diseño descritos corresponden a los de pavimentos nuevos de hormigón simple con juntas (JPCP). Cualquier otro tipo de pavimento no es considerado. Además, los parámetros del hormigón descritos son los requeridos por los procedimientos de diseño del tipo de pavimento antes mencionado.
- En este trabajo se ocupa la versión 2.2 del software de la GEMDP AASHTO 2008 publicada en septiembre de 2015.
- Se asumen condiciones normales de diseño, descartando condiciones de severidad o situaciones constructivas deficientes.
- Se emplean 3 estaciones climáticas del territorio chileno. Estas son: Arica, Santiago y Punta Arenas.
- Se considera, como tamaño mínimo de las losas, tres metros y como tamaño máximo 4.5 [m].
- Este estudio no comprende la definición de espectros de tránsito nuevos o ajustes de los espectros utilizados, pues escapa a los objetivos de este. Se utilizan los espectros de carga y parámetros de tráfico obtenidos por Francisco Iturriaga B. (2014), en su memoria de titulación. Los espectros de carga utilizados son los correspondientes a las ciudades de Arica y Santiago.
- En este estudio no se realizan calibraciones de modelos, ecuaciones de deterioros u otros similares.
1.4. METODOLOGÍA DE TRABAJO
Se procederá según el orden de los siguientes puntos:
- Revisión bibliográfica general de la literatura disponible relacionada con el diseño de pavimentos rígidos, la guía de diseño GEMDP AASHTO 2008 y los materiales involucrados en este estudio.
- Recopilación y adaptación de datos y valores a partir de las memorias de titulación de la Universidad Técnica Federico Santa María relacionadas con los parámetros de entrada tráfico y clima.
- Recopilación y adaptación de datos y valores a partir de las memorias de titulación de universidades chilenas relacionadas con los parámetros de entrada tráfico y clima que tengan relación con este estudio.
- Recopilación de datos y antecedentes a partir de la bibliografía consultada relacionados con los parámetros de estructura y materiales u otros parámetros.
- Descripción de los parámetros y variables involucradas en el proceso de diseño.
- Aplicación del método de diseño mediante el software de la guía de diseño GEMDP AASHTO 2008.
- Evaluación de las diferencias en el performance del pavimento variando los valores de tráfico, clima y parámetros de materiales requeridos por la guía de diseño GEMDP AASHTO 2008.
2. MÉTODO DISEÑO DE PAVIMENTOS NUEVOS DE HORMIGÓN SIMPLE CON
JUNTAS
2.1. MÉTODO DE DISEÑO DEL MANUAL DE CARRETERAS
La Dirección de Vialidad ha elegido como procedimiento de diseño de pavimentos rígidos (losas de hormigón apoyadas sobre una base), una adaptación a las condiciones nacionales de los métodos desarrollados en los Estados Unidos por la AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials).
2.1.1. DESARROLLO DE LOS MÉTODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Una de las características que conforman la ciencia del diseño de pavimentos se relaciona con su "dinamismo", el cual puede ser definido como el continuo avance en el grado de sus conocimientos.
El desarrollo de los métodos de diseño de pavimentos puede, de una manera muy simplificada y en función de su nivel de información, dividirse en tres grandes etapas:
- Primera Etapa: Antes de la Segunda Guerra Mundial Los métodos de diseño se fundamentan en las características de los suelos de fundación y en la comparación del comportamiento de pavimentos similares que habían tenido buena duración. Se conoce que el tráfico tiene efecto sobre el diseño, pero su única medición se basa en el conteo de vehículos, su clasificación en cuanto a intensidad - pesado, medio o ligero - y la carga máxima por eje. Se dispone de más de 18 métodos de diseño, entre los más conocidos están los del “Índice de Grupo” y el “CBR”.
- Segunda Etapa: Después de la Segunda Guerra Mundial y hasta 1988 Se estudian los efectos de la acción de las cargas en la actuación de los pavimentos, se cuantifican los diversos factores que participan en el diseño y su influencia en el comportamiento de la estructura; se considera, en especial, el efecto de las cargas y su número de aplicaciones sobre el pavimento, y la cuantificación del “grado de falla” de la estructura. Se analizan teóricamente los factores de diseño y se corrigen, o ajustan, estas bases en función del comportamiento real ante el tráfico. En esta etapa han tenido gran influencia los “Ensayos de Carreteras”, modelos a escala natural que han sido el fundamento de los métodos actuales. Entre los más conocidos están: o Carretera Experimental de Maryland (USA) o Carretera Experimental WASHO (USA) o Carretera Experimental LARR (ALEMANIA) o Experimento Vial de la AASHO (USA)
A continuación, se describen brevemente las principales características de estos tramos de prueba:
- Carretera Experimental de Maryland (USA) Fue completada por la HRB en el año 1949 en la vía USA 301 - una autopista interurbana en el estado de Maryland - la cual fue construida con un pavimento de hormigón reforzado con malla. Su objetivo principal era el
determinar el daño causado por distintos tipos de ejes con diferentes cargas, para lo cual se emplearon ejes simples de 8,2 [ton] y 10,1 [ton], y ejes dobles de 14,5 [ton] y 20,3 [ton]. Los principales resultados obtenidos fueron: a. Se establecen las primeras fórmulas de equivalencias de cargas, al determinarse que el “daño” de una carga simple de 10,1 [ton] era 1, veces mayor al producido por otra carga simple de 8,2 [ton]. b. Se determina el efecto de la velocidad, ya que, al comparar tramos bajo las mismas cargas, se observó que aquellos, en los cuales los vehículos circulaban a velocidades menores a 65 [km/h], habían sufrido un 20% más de daño que en aquellos con velocidades mayores a la indicada. c. Se comprobó la importancia de las juntas de construcción, al verificar el efecto del “bombeo” sobre ellas.
- Carretera Experimental WASHO (USA) Este experimento vial fue realizado en el Estado de Idaho en el año 1952, con el objetivo principal de comprobar el efecto de tipos de ejes e intensidad de cargas sobre los pavimentos flexibles. Se variaron los tipos y espesores de capas en sectores del tramo de prueba y se mantuvo constante la carga aplicada. El principal nuevo resultado obtenido fue la determinación que un eje doble de 12,7 [ton] producía el mismo efecto que uno simple de 8,2 [ton].
- Carretera Experimental LARR (ALEMANIA) Esta prueba de campo fue realizada durante los años 1957 y 1958 en 3 [km] de la Autopista Nº 36 en Alemania Federal. El pavimento estaba constituido por losas de hormigón armado, o por mezclas de concreto asfáltico, construidas ambas alternativas, sobre bases de suelo-cemento. El material de fundación consistió en una mezcla de grava y arena de 150 [cm] de espesor. Las cargas fueron aplicadas a través de vehículos semitrailers de 24 y 32 [ton] de carga total. Los objetivos de esta prueba eran similares a los de las pruebas anteriores, con los resultados siguientes: a. Marcado efecto de las cargas de ejes simples sobre el pavimento, al compararlas con cargas totales de ejes dobles. b. Se comprueba el efecto de la temperatura en la aparición de grietas en los pavimentos de hormigón.
- Experimento Vial de la AASHO (USA) Ha sido, sin duda alguna, la prueba de carreteras más completa de todas las ejecutadas a la fecha. De la información que en ella se obtuvo se siguen produciendo beneficios, ya que los últimos métodos de diseño se fundamentan en los datos de campo de esta prueba. Fue inicialmente conceptuada como una prueba similar a la de la WASHO, pero el Comité Asesor designado para su programación (1951) decide ampliar sus objetivos. Desde mediados de 1951 hasta diciembre de 1954 se realizan todas las etapas de planificación - desde la selección del sitio hasta el establecimiento de objetivos - y en abril de 1955 se inician los trabajos de topografía en la ubicación futura de la prueba, y la preparación de planos y especificaciones. En agosto de 1956, cerca de Ottawa, en el Estado de Illinois, comienza la construcción de las instalaciones del proyecto, y en octubre del año 1958 se inicia la aplicación de las cargas sobre los tramos del pavimento construido.
