Seminario Internacional

Tecnología e Innovaciónen Pavimentos de Concreto

Lima 29 Marzo 2010

Organizado por:

Juan Pablo Covarrubias V

Seminario Internacional: Tecnología e Innovación en Pavimentos de Concreto

Lima 29 de Marzo 2010

Métodos de Diseño para Pavimentos Nuevos

Tradicionales:

M-EPDG ( AASHTO 07) – Mecanisista-Empírico

AASHTO 98 – Empírico Mecanisista

PCA - Mecanisista

Catálogos - Empíricos Largo de losa no es relevante en el diseño para determinar el espesor Tamaño de losa se diseña lo más grande posible para disminuir juntas Ancho igual o superior al ancho de pista Largo recomendado por AASHTO es 4,5 m.

Nuevo Concepto de Diseño: TCP®

Largo de losa es parte del diseño del espesor (1,3 a 2,5 m. de largo)

Tamaño de losa optimizada por posición de las cargas del camión

Ancho es parte del diseño (máximo igual a media pista más sobre ancho)

Métodos de Diseño para Rehabilitación de Pavimentos

Soluciones No Adheridas (Baja Fricción) Se diseña como pavimento nuevo Se utiliza el pavimento antigua como base y se repara Se determina “kc” sobre el pavimento existente con falling weight

Whitetopping Tamaño de losa similar a pavimento nuevo con diseño tradicional espesores mayor a 20 cm

Recapado de Hormigón sobre Hormigón Tamaño de losa igual a tamaño de losas del pavimento nuevo con

desfase de junta antigua Se coloca capa intermedia de separacion Espesor mayor a 15 cm

Diseño TCP® Espesores entre 8 y 20 cm losas optimizadas por posición de cargas

Métodos de Diseño para Rehabilitación de Pavimentos

Soluciones Adheridas (Alta Fricción) El pavimento antiguo es parte de la estructura de la carpeta de pavimento,

por lo que la capa nueva se diseña adherida El diseño no considera el tamaño de la losa para determinar el espesor. El asfalto debe tener al menos 7,5 cm de espesor y estar en buenas

condición. Las losas son pequeñas para asegurar adherencia (0,8 a 2,0 m) y el proceso

constructivo debe asegurar esta condición adherida para su correcto funcionamiento

Thin Whitetopping espesor entre 10 y 15 cm

Ultra Thin Whitetopping Espesor menor a 10 cm

Recapado Adherido de Hormigón sobre Hormigón Largo losa igual al largo de losa de pavimento base. Las juntas se

hacen coincidir.

La tecnología TCP® (Thin Concrete Pavements), el método de diseño y construcción de losas delgadas de concreto perfeccionadas para uso

en pavimentación y demás derechos relacionados con dicha tecnología (software, know-how, secretos industriales, marcas comerciales,

manuales, instructivos, etc.), son de propiedad exclusiva de Comercial TCPavements® Ltda. y están protegidos por las leyes y tratados

internacionales vigentes en materia de Propiedad Industrial e Intelectual, en particular por las solicitudes de patente industrial Nos. 2684-05

en Chile, solicitud internacional PCT/EP2006/064732, solicitud 20070094990 en Estados Unidos. ©TCPavements 2005-2009, registro de

propiedad intelectual N°166311, todos los derechos reservados.

Alabeo y Tensiones Para Igual Gradiente Térmico

450 cm x350 cm

Alabeo = 2.41 mm

Tensión = 14.02 kg/cm2

Espesor= 18 cm

Delta T°=-14 C°

140 cm x175 cm

Alabeo = 0.49 mm

Tensión = 1.83 kg/cm2

Comparación de Losa Larga y Corta cargadas por el mismo camión

4,5m x 1m 2.25 m x 1 m

Maximun tensile stress = 24.65 Kg/cm2 Maximun tensile stress = 5.22 Kg/cm2

Principal stresses on the top of the slab, Red is tensile strength

Deformation of the slab

Concepto de Diseño TCP®

Se deben dimensionar las losas de tal forma que, cada losa sea cargada solamente por una rueda o por un set de ruedas.

Protegido por Patente Industrial

“Losas con dimensiones perfeccionadas para pavimentos de calles, caminos o carreteras y metodología para determinar el diseño de dicha losa”.

En:Chile Nº 44820EE.UU. Nº 7.751.581PCT/EP2006/064732Peru solicitud Nº1118-2006Patente y Patente Pendiente en 84 Países

Posición de Las Cargas y Dimensión de las Losas

Diseño AASHTODiseño TCP®

Espesores para Igual Tensión

Espesor: 25 cm Concrete

Losas 4,5m x 3,6m

Espesor: 16 cm Concrete

Losas 1.8m x 1.8 m

Importancia Posición Carga Geometría Losa

5

10

15

20

25

30

50 150 250 350 450

Te

nsi

on

Kg

/cm

2

Largo losa (cm)

Relación Tensión vs Tamaño de losa con Carga Patrón

Sigma Principal Superior

Resumen Espesor para Tráficos Equivalentes(15.000.000 EE)

450x350 350x300 240x175 180x175 140x175

Espesor 25 cm 23 cm 14 cm 16 cm 13 cm

cm

5 cm

10 cm

15 cm

20 cm

25 cm

30 cm

Esp

eso

r

Tamaño Losa Vs Espesor

•*Diseño AASHTO Para 4.5 y 3.5 m (Barras Azules)•Diseño TCP (Barras Verdes)•Cálculos se realizaron considerando tensiones superiores

Características Principales y recomendaciones del Diseño TCP®

• Losas pequeñas (media pista x 1,20 a 2,5 m)

• Base granular (finos < 8%), base asfáltica o BTC

• Geotextil entre sub rasante y base, si es necesario

• Corte de juntas delgado (1,9mm- 2,5mm)

• No requiere sello de juntas

• No requiere barras de transferencia de cargas ni de amarre entre pistas ( salvo juntas construcción)

• Confinamiento lateral

Estudio U. de Illinois

Espesores en estudio 8, 15, 20 cm sobre Base Granular y asfalto

Carga en el borde y en la huella

Hormigón 55 kg/cm2 Flexo 28 dias

CBR 2-6%

Carga equivalente a EE

Resultados Estudio U de Illionis

Se considera como vida útil un daño de 30% de losas Agrietadas* 0% losas agrietadas

Tramos Losa Sur CBR Losa Norte CBR

8 cm 120.000 EE 4% 3.000 EE < 2%

8cm Fibra 234.000 EE* 4% 65.000 EE < 2%

15 cm 22.000.000 EE 6% 14.000.000 EE 2%

20 cm 20.000.000 EE* 6% 50.000.000 EE * 2-3%

10 cm sobre 21 cm Asfalto 10.000.000 EE 5% 2.000.000 EE 2-3%

15 cm sobre 14 cm Asfalto 57.000.000 EE* 5% 69.000.000 EE 2-3%

Software Diseño TCP

Sistema de diseño Mecanicista-Empirico

Utiliza Islab2000 para calcular tensiones en la losa, para todas las condiciones

Se han realizado mas de 200.000 simulaciones

Incorpora la geometría de losa en el diseño.

Simulación Islab 2000

ESRS de 18.000 lbs

EDRD de 25.000 lbs

Presión Neumático 8.9 kg/cm2 (130 psi)

Características medias del Hormigón

Simula solo un eje ya que dimensión de losas lo permite.

Determina tensiones arriba y abajo en la losa y las deformaciones de esta.

Factorial de Variables

Eje Largo Losa

Espesor

CBR LTE Gradientes Tº

Carga Posición Eje

ESRD 140 cm 8 cm 5% 30 % +10 100 % Borde - Esquina

EDRD 180 cm 9cm 10% 50% +5 120 % Borde - Centro

230 cm 10 cm 15% 70% 0 Huella - Corte

…… ….. -5 Huella-Centro

19 cm 45% -10 Junta longitudal - Centro

20 cm 50% -15

80% -20

-25

2 3 12 11 3 8 2 5

Total 190.000 Simulaciones Islab 2000

Posiciones de Carga

Diseño TCP®1. Diseñar las dimensiones de la losa tal que, solo un set de

rueda de los vehículos cargue una losa a la vez.

2. Calcular las tensiones generadas en el concreto para diferentes condiciones (alabeo, espesor, Carga Trafico, Tipo de eje, etc.).

3. Para calcular la cantidad admisibles de pasadas, dado las tensiones generadas en el concreto, se utilizó el modelo de Fatiga, utilizado por el sistema de diseño M-EPDG

22.1

21

3 )**

*(*2)(

CCMOR

CNLog

Diseño TCP®

4. Suma el daño por fatiga generado en cada punto de control (ley de Miner)

5. Calcular % de losas agrietadas (Modelo utilizado por el sistema de diseño M-EPDG (AASHTO 2002))

%CRACK = 1/(1+FD^(– 1.98))

6. Iterar hasta encontrar el resultado óptimo.

Serviciabilidad Pavimentos TCP®

Escalonamiento

Pavimentos con diseño TCP®:

Tienen un quinto del alabeo con respecto a losas AASHTO, como el alabeo es menor el escalonamiento disminuye.

Usan bases granulares con menos de 12% de finos , el agua no afecta la estructura y la salida de finos no cambia la capacidad estructural de la base.

Tienen losas mas pequeñas, aumentando la transferencia de carga, lo que reduce el escalonamiento

Transferencia de carga para distintas aperturas de grietas

Colley and Humphrey

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5000 10000 15000

Effi

cie

ncy

(%)

Passes

Section 3 - LTE

Joint 51

Joint 58

Section 3 – (South)9 cm PCC & FRCLOAD TRANSFER EFFICIENCY

40 kN22 kN

53 kN

Transferencia de CargaSection 2 (South)

S ec tion 2 - L T E

0

20

40

60

80

100

120

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

P as s es

Eff

icie

nc

y (

%)

J oint 29

J oint 30

J oint 36

J oint 37

40kN 67kN 89kN 111kN 156kN

Transferencia de cargaSection 15 & 20 cm (North)

40kN 67kN 80kN

111kN 156kN

93kN 120kN

Serviciabilidad Pavimentos Guatemala

Mediciones con perfilómetro laser, a 100km/h, con fotos c/10m y mediciónautomática de escalonamiento

IRI

Escalonamiento

ProjectConstruction

year

Proyect

lengthThickness

Design

ESALS

ESALS up

to date

Initial IRI

(m/km)

IRI 2010

(m/km)

Faulting*

(mm)

Amtitlan-Palin 2006 7 km 20 110.000.000 22.000.000 1,76 2,01 <2

San Cristoabl San Lucas 2006 12 km 17 35.000.000 8.235.294 2,1 2,34 <2

San Lucas Milpas 2007 6 km 17 17.000.000 3.000.000 2,15 2,07 <2

Tecpan los Encuentros 2009 35 km 18 20.000.000 1.111.111 1,72 <2* Using high speed profiling

Escalonamiento Proyectos Guatemala

En Guatemala existen pavimentos de 4 años con cargas pesadas, sin señal de escalonamiento.

Optipave

KSEM ( Kc Sistema Estructural Multicapa)

3

1

1

3

1

1

13

1

3

33

1

221

1

...

n

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11381,079.02

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21

322

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1

0167087.0

/qk

Revisión tensiones Maxima Subrasante

Concrete

ATB

CTB

Granular Base

Subgradeσz

Distribución de cargas

Tensiones verticales, losa aislada

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0,0

0

9,7

2

19,4

4

29,1

7

38,8

9

48,6

1

58,3

4

68,0

6

77,7

8

87,5

1

97,2

3

106,9

5

116,6

7

126,4

0

136,1

2

145,8

4

155,5

7

165,2

9

175,0

1

distancia en el borde cm

esfu

erz

os k

g/c

m^

2

TRANSFERENCIAS DE CARGAS50%

Comparacion de Gradientes Termicos en Pavimentos Rigidos,

CALIFORNIA

Gradiente Térmico en Losas

• Ciudad Representativa: Santiago

• Tipo de Clima: Templado Cálido Con LluviasInvernales

0

500

1000

1500

2000

2500

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2

CA

NT

IDA

D D

E H

OR

AS

AN

UA

LE

S

GRADIENTE TERMICO (⁰C/cm)

SANTIAGO

FRESNO

SAN DIEGO

• Ciudad Representativa: Rancagua

• Tipo de Clima: Templado Frio Con LluviasInvernales

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2

CA

NT

IDA

D D

E H

OR

AS

AN

UA

LE

S

GRADIENTE TERMICO (⁰C/cm)

RANCAGUA

SACRAMENTO

Gradiente Térmico en Losas

• Ciudad Representativa: Angol

• Tipo de Clima: Templado Cálido LluviosoCon Influencia Mediterránea

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2

CA

NT

IDA

D D

E H

OR

AS

AN

UA

LE

S

GRADIENTE TERMICO (⁰C/cm)

ANGOL

LOS ANGELES

SAN FRANCISCO

Gradiente Térmico en Losas

•Análisis Comportamiento 5 tipos de fibras sintéticas para una sola dosificación.

• Resistencia a flexión 48 MPa.• Tamaño máximo de áridos 40 mm.

• Tipos de fibras estudiadas:• Rectangulares lisas• Rectangulares rígidas• Monofilamentos / Fibriladas

• 3 dosis de fibras: 1,5 Kg/m3, 3 Kg/m3, 5 Kg/m3 • Confección de 2 hormigones para cada tipo de hormigón. •Se ensayaron probetas a dos resistencias a 7 y 28 dias:

Incorporación de Fibras en Diseño de Pavimentos

MOR = Resistencia a flexión [MPa]

•Considerar resistencia a flexión efectiva MOR*

• Ensayo Carga deformación. Norma ASTM 1609 -07

MOR*= Resistencia a flexión efectiva

Ensayo de Carga- Deformación

Resultados de ensayos para diferentes tipos de fibras y dosis.

Curvas de dosis de fibra a utilizar para comportamiento requerido. Curvas dependen de Dosificación, Resistencia y edad de hormigón.

Ensayo Carga- Deformación norma ASTM 1609-07

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Resi

sten

cia

a fle

xión

(M

Pa)

Deformación (mm)

S/ Fibras

Fibras 1,5 Kg/m3

Fibras 3 Kg/m3

Fibras 5 Kg/m3

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0 1 2 3 4 5

Rad

io R

esi

ste

nci

a R

esi

du

al (

%)

Dosis de Fibra (Kg/m3)

Barchipmacro

Masterfiber 50PS

Baxi-Fiber P400

Fibermesh650

RXF 54

Conclusiones :

Producto Optimizado, considerando las mejores practicas y tecnologías actuales para pavimentos de hormigón.

Reduce el costo hasta en un 25% para pavimentos de hormigón y un 20% Pavimentos asfalticos con diseños tradicionales.

Modelo Mecanicista permite calcular el desempeño del pavimento en diferentes condiciones.

Conclusiones :

Menor consumo de energía de iluminación (30%) Evita congestión por mantención Sin costo de mantención de sellos Facilidad de reemplazo de losas

Espesores de los pavimentos: Calles de ciudad 8 – 12 cm. Caminos rurales 12 – 15 cm. Carreteras >15 cm

Proyectos Construidos

Proyecto

Costo Proyecto original Costo Proyecto TCP%

AhorroAhorro Total

Centro distribucion 1 US $ 542.379 US $ 432.064 20%US $ 110.315

Centro distribución 2 US $ 1.144.000 US $ 1.021.429 11%US $ 122.571

Estacionamiento Grúas US $ 337.071 US $ 245.143 27%US $ 91.928

Calle Valdivia US $ 73.543 US $ 71.500 3%US $ 2.043

Para 1500 km- pistas construidos por año en Chile*

Carreteras y caminos y calles US $ 112.612.500 US $ 92.950.000 17%US $ 19.662.500

*Estimacion Ahorro por uso Tecnologia TCP

CASO 1 : Ruta 5: km-251

Caso 1: Ruta 5: km-251

• Condiciones actuales– CTB con Kc = 137 Mpa/m

– Espesor 22cm -23 cm

• TCP®– 50.000.000 EE

– 16 cm (6,4”)

– Hormigón 4,8 Mpa Flexotracción

– 10 % losas agrietadas como umbral de diseño

– 2 m x 1.75 m

– Corte delgado sin Sello

– Sin fierros, solo en junta de construcción

– Pines laterales de confinamientos

Caso 1: Ruta 5: km-251

Losas 400 cm de 22 cm (8,8”) espesor

BTC

Losas 200 cm 16 cm (6,4”) espesor

BTC y Base asfáltica no adherida

29.9Kg/cm2 22.8

Kg/cm2

Caso 2: Sodimac

CBR 15% (6”)

60 cm (2 ft) CBR 40% Plataforma

15 cm (8”) Base Granular < 8% finos

350 Camiones Diarios= 10.000.000 EE

30.000 m2

Santiago, Chile

20% de ahorros

Caso 2: Sodimac

Caso 2: Sodimac

Caso 2: Sodimac

Caso 3: MOP Punta Arenas

CBR 10%

12 cm (4,7”)

50 cm (20”)CBR 60% Base no heladiza

15 cm (6”) Base < 8% finos

Hormigón 4,8 Mpa

1.000.000 Esals

1 km

Santiago, Chile

27 % ahorro

Case 3: MOP Punta Arenas

Case 3: MOP Punta Arenas

Case 4: Antigua Guatemala

TCP Design Febrero 2006

80.000.000 EE

BTC con K = 110 Mpa/m

Asfalto 21 cm, Mal estado

Espesor diseño TCP® 17 cm

20 % losas agrietadas

80cm x 180 cm

Corte delgado

Fierros solo juntas de construcción

Pines Laterales

11.07 km

20% ahorro 21 cm Asfalto

Case 4: Antigua Guatemala 2007

Case 4: Antigua Guatemala 2007

Case 4: Antigua Guatemala 2009

Case 5 Terrapuerto Lima

CBR 15% (6”) Natural Soil

60 cm (2 ft) CBR 40% Construction Platform

15 cm (8”) Granular Base < 8% finos

Traffic 500 buses daily = 10.000.000 EE

30.000 m2

Lima, Peru

Savings 20%

Case 5 Terrapuerto Lima

BM3 Acceso CA9 Sur (2005)Guatemala 120.000.000 EE

15 Años

Espesor 21 cm

Base: Granular y Asfalto deteriorado

Valdivia•2008•Base Granular•8 cm ( 3,5”) and 12 cm (4,7”)Concrete•3% de ahorro ( 2” de asfalto)

Etac (Chile)

•2008•12 cm concrete•Granular base•Same cost as 2” Asphalt

•50.000 EE•8 cm •30% Ahorros ( Adocretos)

Salinas y Fabres 2008Chile

Megacentro Pto Montt.

•2008•11 cm •500.000 EE

Planta Los Fiordos (Chile)

•2007•3.000.000 EE•Base Granular•15 cm

Tottus Mall Trujillo (Perú)

•2007•3.000.000 EE•Base Granular•14 cm

Chincha (Perú)

•DC•2007•Granular Base•4.000.000 Esals•14 cm concrete

Confiperú (Perú)

•2007•Old concrete pavement•3.000.000 Esals •12 cm

Mayor información y contacto en:

www.tcpavements.com