12 Mar 14

Diseño de pavimentos de concreto: método PCA

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Asociación Colombiana de Productores de Concreto – Asocreto

Crédito: © WSDOT

 

Historia

La historia de los pavimentos de concreto o pavimentos rígidos puede dividirse en dos épocas: la antigua, donde se pueden encontrar los primeros desarrollos de la humanidad en la construcción de vías, en las que se utilizaron materiales a base de piedra caliza. En el año 500 a.C. los Romanos desarrollaron pavimentos con los cuales lograron consolidar su imperio y algunos de ellos existen hoy en día, conservándose bastante bien después de 23 siglos de existencia.

La época moderna de los pavimentos de concreto tuvo sus inicios a finales del Siglo XIX con la construcción de la primera estructura moderna de este tipo en la ciudad de Inverness, Escocia, en 1865. En ese momento el pavimento de concreto no contaba con la tecnología que se tiene hoy en día, pero indudablemente fue el inicio de una cadena de avances, desarrollos y aplicaciones, que casi alcanzan 150 años. A partir de ese momento fueron sucediendo avances significativos en la tecnología de diseño y construcción, así como gran diversidad de aplicaciones en todo el mundo.

En América Latina, el primer pavimento de concreto se construyó en la ciudad de Bellefontaine, Ohio, en 1891. Con más de 120 años de construida, hoy aún presta servicio. En Colombia, el primer pavimento de concreto data de 1928 en el Parque de Berrío, en la ciudad de Medellín.

La metodología de la PCA 

En 1920 se produjeron las primeras ecuaciones para el diseño de pavimentos y en 1926 el profesor Westergaard publicó las ecuaciones de esfuerzo y deformación. En 1933 la Portland Cement Association (PCA) publicó el procedimiento para el diseño de espesores de concreto correlacionado con el tráfico, e introdujo los primeros conceptos de fatiga así como las primeras ecuaciones empíricas. Posteriormente, en 1966 y 1984, la PCA actualizó su método de diseño, siendo esta última la versión que rige en la actualidad.

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.

 

Crédito: © WSDOT

 

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.

 

Crédito: © Pam_Broviak

 

Los criterios de diseño de espesores de este método están basados en la experiencia del comportamiento general de pavimentos. Si se dispone de experiencia del comportamiento específico regional o local en condiciones más favorables o adversas, los criterios de diseño pueden ser apropiadamente modificados. Estas condiciones particulares pueden ser de clima, suelos, drenaje e innovaciones futuras en los diseños.

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.

 

Crédito: © Pam_Broviak

 

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:

  1. El grado de transferencia de carga en las juntas proporcionado por los diferentes tipos de pavimentos descritos.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Dos criterios de diseño:

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

4.2   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.

  1. Los ejes triples pueden ser considerados en el diseño. Mientras que las configuraciones convencionales para ejes simples y tándem son aún las cargas predominantes en las carreteras, el uso de ejes triples (tridem) va en aumento. Ellos se observan en algunas carreteras especiales. Los ejes tridem pueden ser más dañinos por el criterio de erosión que por el de fatiga.

La selección de un espesor adecuado está condicionado a la elección de otras características de diseño como el sistema de juntas, tipo de subbase si es necesaria, y tipo de berma.

 

Crédito: © Pam_Broviak

 

Bases para el diseño 

Los métodos para el diseño de espesores del Método PCA se basan en el conocimiento de la teoría de pavimentos, en su comportamiento y en experiencias de investigación de:

  1. Como se mencionó al inicio del artículo, en estudios técnicos de comportamiento de las losas de pavimento realizados por Westergaard, Picket y Ray, y recientes análisis de cómputo desarrollados por elementos finitos, uno de los cuales es usado como la base para este método.
  2. Pruebas y modelos a escala natural tales como los ensayos de Arlington y varios proyectos de investigación conducidos por la PCA y otras agencias sobre subbases, juntas y bermas de concreto.
  3. Pavimentos experimentales sujetos a pruebas de tráfico controlado y estudios de pavimentos de carreteras en servicio realizados por departamentos estatales de transporte de Estados Unidos.
  4. El comportamiento de pavimentos construidos normalmente, sujetos a tráfico mixto normal.

Crédito: © WSDOT

 

Todas estas fuentes de conocimiento con útiles. Sin embargo, el conocimiento obtenido del comportamiento de pavimentos construidos normalmente es la más importante. De acuerdo a ello, es esencial examinar la relación de los roles que el comportamiento y la teoría juegan en el procedimiento de diseño. Métodos teóricos sofisticados desarrollados en años recientes permiten que la respuesta pavimento – esfuerzos, deflexiones, presiones, sean modelados con más precisión. Estos análisis teóricos son parte necesaria de un proceso de diseño mecanicista, porque ellos permiten la consideración de un rango completo de combinaciones de las variables de diseño.

Un segundo aspecto importante es el criterio aplicado a los valores teóricos, valores limitantes permisibles de esfuerzos, deflexiones o presiones. Definiendo así el criterio de que los resultados de diseño son reflejo de la experiencia del comportamiento del pavimento y que los datos de investigaciones son fundamentales en el desarrollo de un procedimiento de diseño.

Las partes teóricas de los procedimientos de diseño proporcionados por este método se basan en un análisis comprensivo de los esfuerzos y deflexiones del concreto mediante un programa de cómputo de elementos finitos. El programa modela los factores convencionales de diseño, propiedades del concreto, soporte y cargas, más la transferencia de carga en las juntas mediante barras pasajuntas o trabazón de agregados y berma de concreto, para ubicaciones de carga axiales en el interior, borde, junta y esquina de la losa.

 

Crédito: © Oran Viriyincy

Nota aclaratoria de responsabilidad: Las observaciones contenidas en este documento son de carácter informativo y deben ser aplicadas y/o evaluadas por el constructor o usuario solamente en caso de considerarlas pertinentes. Por lo tanto, estas observaciones no comprometen a Argos, a sus filiales o a sus subordinados.


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Sobre el autor

Comunicadora Social y Periodista de la Universidad de Antioquia (2007). Especialista en Mercadeo de la universidad EAFIT (2015). Actualmente me desempeño como Jefe de Estrategia Digital en Argos. Como redactora he cubierto temas de cultura, medio ambiente e industria. Amo el arte en todas sus expresiones.


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4 Responses to Diseño de pavimentos de concreto: método PCA

    CORDIAL SALUDO. ES POSIBLE OBTENER ALGUN SOFTWARE PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGIDOS…!!! LES QUEDO ALTAMENTE AGRADECIDOS POR SU RESPUESTA POSITIVA.

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    deseo acceder última versión de diseño pavimentos rigidos y metodologia de construccion incluyendo estudio de transito y/o pruebas de coeficiente de balasto

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