Placa De Carga Norma Española 3h294k

ENSAYOS DE CARGA CON PLACA. NORMATIVA INTERPRETACIÓN Y VALORES Ramón Crespo del Río [email protected] 1.UNA BREVE MEMORIA HISTÓRICA PERSONAL Mi primer o con la placa de carga fue allá en mis mocedades por el año 74 ó 75 durante la construcción de las autopistas catalanas en sus tramos finales “Gerona- Figueras- Frontera sa y un poco más tarde la B 30; se aplicaba, según creo recordar, la norma Alemana, que alguien debió traducir, ZTVE STB/59 más tarde DIN (Deutsches Institut für Normen) 18134. En aquellos tramos la especificaciones, puntualmente recogidas en el Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares, el famoso PPTP, decían textualmente. “En coronación de terraplenes se realizaran ensayos con placa de carga, empleando placas de 30 cm de diámetro, debiendo ser los valores E2 resultantes de este ensayo de 800 kg/cm² como mínimo. (1200 kg/cm² en capas granulares). Dichos valores se obtienen tras la aplicación de la carga de ensayo por segunda vez a partir de la formula E2= 1,5 *r*p/s en la que

r= radio de la placa en cm p= Presión aplicada en kg/cm² s= asiento de la placa en cm

De acuerdo con la norma alemana ZTVE-STB 59 la relación de compactación será menor de 2,2 en el caso de que los valores E1 no alcancen por lo menos el 60% de los exigidos para E2". La Placa de Carga es en España un ensayo con altibajos, en muchas obras de carreteras apenas se practica (tal vez por caro y lento) y en otras muchas si se emplea; en realidad y como se sabe la designación placa de carga es coloquial y el nombre oficial es “Ensayo de Carga con Placa”, justo al revés. Se trata de ensayar una superficie con una placa de acero (rígida) cargada y medir lo que se deforma (verticalmente) y por cociente determinar un módulo de “compresibilidad”, termino utilizado en la norma de 1986, donde, por si no ha quedado claro, se añade, o “coeficientes E”. La superficie, en nuestro mundo carretero, es un suelo o un material granular y se aplica en suelos de núcleos de terraplén-donde en la practica casi nunca se realiza-, explanadas o coronaciones de terraplén y en materiales granulares, zahorras naturales (que apenas quedan o las que hay no las dejan extraer) 1

y artificiales. En todo caso se limita la aplicación del ensayo a que el material tenga un tamaño máximo de 10 cm según la norma del año 1986 y la cuarta parte del diámetro de la placa según la norma del año 1998. 2.LA NORMA DE PLACA DE CARGA EN ESPAÑA Al correr de los años el ensayo de placa de carga se seguía practicando en España sometida a una normativa extranjera que finalmente se decidió regular para su practica en carreteras estableciéndose la primera norma para carreteras NLT 357 en el año 1986. La forma de realizar el ensayo está recogida en la norma NLT (Normas Laboratorio del Transporte)-357/86, revisada y sustancialmente modificada en1998: NLT-357/98, existiendo también la norma UNE-7391-75 (puestos a tener normas este país las tiene por partida doble). 2.1.EL ENSAYO SEGÚN LA NORMA NLT 357/86 En esencia el ensayo consiste en transmitir al terreno una carga conocida de forma escalonada. Para ello se dispone de un utillaje que esencialmente consiste en la placa de acero de un espesor mínimo de 20 mm (para que sea rígida), en tres comparadores de 10 mm de rango y precisión una centésima de milímetro, una columna de carga, una bomba hidráulica, un manómetro y un sistema para transmitir la carga (por reacción) al terreno que prácticamente siempre es un camión. Se trata de un ensayo lento, caro y que debe realizarse de forma cuidadosa. Una tarifa normal por ensayo se sitúa en torno a los 120 (20.000 ptas) más el camión (aprox 50 /hora de alquiler). La duración del ensayo es de alrededor de 1 hora para materiales granulares a 2 horas para suelos de alta plasticidad. Esta estimación de duración esta referida solamente a la norma del año 86, el procedimiento del año 98 implica una mayor duración. Una vez posicionada la placa y colocados los comparadores (tres situados en los vértices de un triangulo equilátero con c.d.g. en el centro de la placa). Comienza el ciclo de carga. Se transmite una carga inicial de 0.02 MPa para leer el valor cero de los comparadores. Luego se inicia el ensayo propiamente dicho. La carga se transmite por escalones de 0.05 MPa Con las secuencias de carga de la tabla siguiente:

2

NLT 357/86 Suelos de Núcleos Suelos de Coronaciones Materiales granulares

ESCALONES DE CARGA (MPa)

1º Ciclo

0,05

0,15

0,25

0,35

2º Ciclo

0,05

0,15

0,25

1º Ciclo

0,05

0,15

0,25

2º Ciclo

0,05

0,15

0,25

1º Ciclo

0,05

0,15

0,25

0,35

2º Ciclo

0,05

0,15

0,25

0,35

0,35

0,45

El, o los, coeficientes E (como los designa la norma) se calculan con la siguiente expresión

Donde )Si son los asientos (observados en los comparadores) obtenidos entre los escalones de carga señalados en negrita en la tabla anterior. Observese ya que va a tener su importancia a continuación que en todos los casos la diferencia entre los escalones de referencia es siempre de 0,10 MPa. El Ensayo queda concluido cuando se han apuntado esas diferencias de asientos entre los distintos escalones (¿porqué no llamarlas deflexiones?) para cada uno de los ciclos de carga. A partir de aquí uno trata de averiguar el origen de la expresión anterior: Así que se tiene que lo que parece que es un módulo E (en la norma no se indican las unidades de E y se le designa como coeficiente) es el resultado de dividir un número, que extrañamente es 30, coincidente con el diámetro de la placa, por unos milímetros que son lo que realmente se mide durante el ensayo. A fuerza de memoria uno se acuerda de BOUSSINESQ Y DE LA SOLUCIÓN ANALÍTICA que determina la deflexión de un macizo seminfinito sometido a una carga repartida en un área circular, solución que puede verse en el libro clásico de POULOS y Davis “Elastic Solutions for Soil and Rock Mechanics” [John Wiley and son, Inc 1974] y cuya expresión es para z=0

f ∗ σ ∗ a ∗ (1 − ν 2 ) d0 = E 3

que la podemos escribir, despejando E y cambiando la simbología

f ∗ σ ∗ a ∗ (1 − ν 2 ) E= ∆S Donde: d0=)S=asiento o deformación vertical o deflexión (mm) E= modulo de elasticidad (MPa)

F = es la carga unitaria o presión de reparto (MPa) a= radio de la carga (mm)

<= coeficiente de Poisson f = factor que depende de la distribución de tensiones f= 2 distribución uniforme f=

B/2 Placa Rígida

f= 8/3 distribución parabólica suelo granular f= 4/3 distribución parabólica suelo cohesivo Si se asume que existe distribución uniforme f=2 y que la expresión 1-<2 es muy próxima a 1 y se toman los valores numéricos constantes de

F y a se tiene que

F=0.10 MPa ; 0,15-0,05; ó 0,25-0.15; ó 0,35-0,25 a= 150 mm se tiene E=

2 ∗ σ ∗ a ∗ (1 − ν 2 ) 2 ∗ 0.10(MPa ) * 150( mm ) ∗ ( ≈ 1) 30 = = (MPa ) ∆S ∆S ( mm ) ∆S

La norma NLT 357/86 se derivaba de las normas suiza SN 670 317 a y SN 670 312 a (1981) 2.2.EL ENSAYO SEGÚN LA NORMA NLT 357/98 En 1998 se revisa la norma y se pasa de derivarse de la norma suiza a apoyarse en la norma alemana DIN 18134 “Baugrund Untersuchung Von Böden Plattendruckversuch,” 1976. Conviene indicar a este respecto que la norma alemana vigente en 1998 era la Plattendruckversuch,” 1990. Es decir en 1998 se adopta la norma alemana de 1976 cuando estaba vigente la misma norma revisada en 1990. 4

En esta “nueva” norma, el módulo pasa de llamarse E según la NLT (módulo que en la norma suiza se llamaba ME) a llamarse Ev designado como módulo de compresibilidad y definido por la expresión:

EV = 1,5 r

∆σ ∆s

parece que la norma considera aquí que la distribución de tensiones es la correspondiente a placa rígida f= B/2 y tomando un coeficiente de Poisson de 0,20 se tiene: EV =

π ∗ r ∗ ∆σ (1 − ν 2 ) 2 ∗ ∆s

=

1,57 ∗ r ∗ ∆σ (1 − 0,20 2 ) ∆σ 1,5 r ∆s ∆s

Donde r es el radio y las tensiones “F” y asientos “s” se calculan de la curva carga/asientos, en dos ciclos de cargas, a partir de la inclinación de la secante entre los puntos 0,3F1max y 0,7F1max. Ver ejemplo de aplicación más adelante. Lo que antes era:

E = 2r

∆σ 2r ∗ 0,10 30 = = ∆s ∆s ∆s

porqué la diferencia de tensiones era para cualquier material 0,10 MPa ya no lo es en la nueva norma, por ello lo que aparentemente se deduce

EV = 0,75E = 0,75M E no es cierto, ya que el denominador )s, aunque se designe igual no corresponde a los mismos valores que en la norma del 86. En el ejemplo que se desarrolla posteriormente, con los datos que figuran en la NLT 357/98 los módulos calculados con la nueva norma son: Ev1= 101 MPa Ev2 = 213 MPa Ev2 /Ev1= 2,1 y con la norma NLT 357/86 (considerando los asientos correspondientes a 0,25-0,35 MPa) para e caso de subabse y base.

5

E1= ME1 = 102MPa E2 = ME2= 293 MPa E2/E1 = 2,9 Señalar que la norma NLT 357/98 establece que los ensayos se pueden realizar con tres tamaños de placa 300 mm, 600 mm y 762 mm. Que el espesor de la placa de 30 cm de diámetro aumenta de 20 a 25 mm y que se define un nuevo parámetro como resultado del ensayo, el Módulo de reacción Ks que es una magnitud característica que define la elasticidad de la superficie del suelo sometido a carga.

Ks =

σ s

;[

MN ] m3

El módulo de reacción solo se puede obtener si se realiza el ensayo con la placa de 762 mm y corresponde al cociente resultado de dividir la tensión F para la cual se alcanza un asiento de 1,25 mm entre ese asiento de 1.25 mm. 3. RELACIÓN ENTRE LOS MÓDULOS RESULTANTES DE LOS ENSAYOS Y MÓDULOS DE ELASTICIDAD Como se ha indicado BOUSSINESQ estableció la solución analítica que determina la deflexión de un macizo seminfinito sometido a una carga repartida en un área circular, solución cuya expresión es para z=0

f ∗ σ ∗ a ∗ (1 − ν 2 ) d0 = E que la podemos escribir, despejando E y cambiando la simbología

f ∗ σ ∗ a ∗ (1 − ν 2 ) E= ∆S Donde: d0=)S=asiento o deformación vertical o deflexión (mm) E= modulo de elasticidad, de deformación, deformabilidad (MPa)

F = es la carga unitaria o presión de reparto (MPa) a= radio de la carga (mm) 6

<= coeficiente de Poisson f = factor que depende de la distribución de tensiones f= 2 distribución uniforme f=

B/2 Placa Rígida

f= 8/3 distribución parabólica; suelo granular f= 4/3 distribución parabólica; suelo cohesivo Si se asume que se trata de una placa rigida f=

B/2

se tiene:

E=

f ∗ σ ∗ a ∗ (1 − ν 2 ) π ∗ (1 − ν 2 ) = * ME ∆S 4

E=

f * σ ∗ a ∗ (1 − ν 2 ) π ∗ (1 − ν 2 ) = * Ev ∆S 3

O también:

pero se debe insistir que

Ev ≠ 0,75M E por la mencionada razón de que el denominador no es el mismo para los dos casos. 4. MAGNITUD DE LA CARGA APLICADA La carga máxima aplicada sobre el terreno es una carga relativamente pequeña en comparación con la transmitida por un eje de camión de 10 o 13 toneladas ya que recordando que:

P = p ∗ π a2 P = carga (N) p = Presión (kPa)

7

a= radio (cm) Se puede elaborar la tabla siguiente: CARGA (P)

PRESION(p)

Radio(a)

kN

MPa

(cm)

13 t

65

0.919

15

DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO

10t

50

0.707

15

PLACA DE CARGA

6,3

31,4

0.450

15

PRIMA 100

1,6

8,2

0.116

15

TIPO ENSAYO

TIPO EJE

DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO

5. ESPECIFICACIONES DEL ENSAYO La recientemente editada OC 10/2002 prescribe en la página 19: “A los efectos de definir la estructura del firme en cada caso, se establecen tres categorías de explanada, denominadas respectivamente E1, E2 y E3. Estas categorías se determinan según el módulo de compresibilidad en el segundo ciclo de carga (Ev2), obtenido de acuerdo con la NLT-357 “Ensayo de carga con placa”, cuyos valores se recogen en la tabla 2. TABLA 2 - MÓDULO DE COMPRESIBILIDAD EN EL SEGUNDO CICLO DE CARGA

CATEGORÍA DE EXPLANADA

E1

E2

E3

Ev2 (MPa)

$60

$120

$300

La misma OC páginas más adelante, pagina 51 dentro del articulo 510 ZAHORRAS indica: “510.7.2 Capacidad de soporte El valor del módulo de compresibilidad en el segundo ciclo de carga del ensayo de carga con placa (Ev2), según la NLT-357, será superior al menor valor de los siguientes: Los especificados en la tabla 510.5, establecida según las categorías de tráfico pesado.

8

El valor exigido a la superficie sobre la que se apoya la capa de zahorra multiplicado por uno coma tres (1,3), cuando se trate de zahorras sobre coronación de explanadas. Además de lo anterior, el valor de la relación de módulos Ev2/Ev1 será inferior a dos unidades y dos décimas (2,2). TABLA 510.5 - VALOR MÍNIMO DEL MÓDULO Ev2 (MPa)

TIPO DE ZAHORRA ARTIFICIAL

CATEGORÍA DE TRÁFICO PESADO T00 a T1

T2

T3

T4 y arcenes

180

150

100

80

80

60

NATURAL 6. EJEMPLO

Se va a aplicar a los datos del ejemplo que figura en la norma NLT 357/98 el cálculo de los módulos correspondientes a los procedimientos de la norma del 86 y del 98 Las cargas y los asientos aplicados son los que figuran en la tabla siguiente: En rojo se señalan los valores interpolados linealmente.

PRIMER CICLO

CARGA

TENSION

ASIENTO

(kN)

(MPa)

(0,01 mm)

5.65

0.08

7

0.15

18.4

VALOR INTERPOLADO PRIMER CICLO

11.31

0.16

20

PRIMER CICLO

16.86

0.24

31

0.25

33,8

0.32

53

0.35

63.1

VALOR INTERPOLADO PRIMER CICLO

22.62

VALOR INTERPOLADO PRIMER CICLO

28.27

0.4

80

PRIMER CICLO

31.81

0.45

95

PRIMER CICLO

35.34

0.5

128

DESCARGA

17.67

0.25

113

DESCARGA

8.48

0.12

95

9

DESCARGA SEGUNDO CICLO

CARGA

TENSION

ASIENTO

(kN)

(MPa)

(0,01 mm)

0

0

75

5.65

0.08

81

0.15

87.1

VALOR INTERPOLADO SEGUNDO CICLO

11.31

0.16

88

SEGUNDO CICLO

16.86

0.24

97

0.25

97,9

0.32

104

0.35

108.1

VALOR INTERPOLADO SEGUNDO CICLO

22.62

VALOR INTERPOLADO SEGUNDO CICLO

28.27

0.4

115

SEGUNDO CICLO

31.81

0.45

123

La aplicación del NLT 357/98 produce el siguiente resultado: Para el primer ciclo: EV 1 = 1,5 r

(0,7σ max − 0,3σ max ) (0,35 − 0,15) = 1,5 ∗ 15000 ∗ = 100,67 = 101 (63,1 − 18,4) s0,7σ max − s0,3σ max

y para el segundo ciclo: EV 2 = 1,5 r

(0,7σ max − 0,3σ max ) (0,35 − 0,15) = 1,5 ∗ 15000 ∗ = 214,3 214 (108,1 − 87,1) s0,7σ max − s0,3σ max

Si se supone que se aplica la norma NLT 357/86 se tiene para un material granular (zahorra) que se debe introducir en el denominador de la expresión la diferencia de asientos correspondientes a las presiones entre 0,35 y 0,25 MPa Para el primer ciclo:

E1 =

30 30 = = 102,39 102 sσ = 0,35 − sσ = 0,25 (0,631 − 0,338)

y para el segundo ciclo:

10

E2 =

30 30 = = 294,11 294 sσ = 0,35 − sσ =0,25 (1,081 − 0,979)

En una obra de reciente construcción y en la capa de zahorra artificial se ha estado aplicando en el año 2003 la norma del 86?? realizando el ensayo con una carga máxima de 0,45 MPa. La tabla de la página siguiente presenta los resultados de los ensayos si se hubiera aplicado la norma del año 98. RESULTADOS CON NLT 357/86 Y VALORES CORRESPONDIENTES A NLT 357/98 PK 0+250 0+500 0+750 0+910 1+190 8+600 8+900 10+520 10+800 11+237

Norma NLT-357/98 EV1 EV2 75 380 87 266 50 260 36 165 68 177 97 221 84 251 92 258 130 257 51 149

EV2 /EV1 5.1 3.1 5.2 4.6 2.6 2.3 3.0 2.8 2.0 2.9

Norma NLT-357/86 ME1 ME2 107 500 130 375 77 300 55 188 97 214 214 333 188 300 125 300 167 333 70 158

ME2/ME1 4.7 2.9 3.9 3.4 2.2 1.6 1.6 2.4 2.0 2.3

7. VALORES PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE FIRMES La especificación de la OC10/2002 correspondiente a las categorías de explanada se pueden aprovechar para establecer el módulo de elasticidad a introducir en el cálculo analítico de firmes de manera similar a como se viene estableciendo en relación al valor del CBR . Hasta ahora las explanadas se definían principalmente por el valor del CBR mediante la correlación empírica de E = 10*CBR A partir de ahora se puede establecer el valor del modulo de elasticidad mediante el valor exigido al resultado de la placa de carga mediante la relación

E=

π ∗ (1 − ν 2 ) 3

* Ev 2

Adoptando un coeficiente de Poisson de 0,40 se obtienen los valores de la tabla siguiente: CATEGORÍAS DE EXPLANADA MÓDULO DE COMPRESIBILIDAD Y MODULODE ELASTICIDAD

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CATEGORÍA DE EXPLANADA

E1

E2

E3

Ev2 (MPa)

$60

$120

$300

E (MPa)

>53

>106

>264

8. REFERENCIAS EXTRANJERAS Los orígenes de esta practica no son fáciles de determinar no conozco cuando ni donde se comenzó a usar, los orígenes parecen ser suizos o alemanes o suizos y alemanes ya que sus normas difieren. Como referencias se han encontrado las siguientes normas: GRAN BRETAÑA Dentro de las “British Standars” BS se encuentra la siguiente referencia: BS 1377: 1990 Pt 1-9 British Standard Method of tests for soils for civil engineering purposes BS 1377:PART 9 - IN-SITU SOIL TESTS Incluye ensayos in situ de SOIL DENSITY, (SAND REPLACEMENT), SOIL DENSITY, (CORE CUTTER) IN-SITU CBR TESTING, IN-SITU VANE SHEAR STRENGTH TESTING DYNAMIC CONE PENETROMETER NUCLEAR DENSITY METER PLATE BEARING TEST USA Dentro de las Normas ASTM se encuentran. D1194-94 Standard Test Method for Bearing Capacity of Soil for Static Load and Spread Footings D1195-93(1997) Standard Test Method for Repetitive Static Plate Load Tests of Soils and Flexible Pavement Components, for Use in Evaluation and Design of Airport and Highway Pavements D1196-93(1997) Standard Test Method for Nonrepetitive Static Plate Load Tests of Soils and Flexible Pavement Components, for Use in Evaluation and Design of Airport and Highway Pavements En la descripción de la norma se puede leer 1.1 This test method covers a procedure for making repetitive o nonrepetitive static plate load tests on subgrade soils and compacted pavement components, 12

in either the compact condition or the natural state, and provides data for use in the evaluation and design of rigid and flexible-type airport and highway pavements. 1.2 The values stated in inch-pound units are to be regarded as the standard. ITALIA Prova di carico su piastra per la determinazione del modulo di deformazione Md - (CNR N.9) Prova di carico su piastra per la determinazione del modulo di reazione k - (CNR N.92) Relativo a ella se puede leer: Determinazione del MODULO DI DEFORMAZIONE Md con prova di carico a ciclo unico su piastra del diametro di 30 cm, compresa la determinazione del contenuto d'acqua. Fornitura da parte del Committente del carico di contrasto. Sono da computare a parte: rimborso spese di trasferimento. SUIZA Norma SNV 70317 Norma SNV 670317a Norma SNV 670317b ALEMANIA DIN 18134, Plattendruckversuch, Deutsches Institut für Normen e.V., Berlin, 1990.Hay una referencia a ensayos de carga de acuerdo DIN 18134p pre- norm (July 1976 versión) y ZTVE StB 76/78. FRANCIA NF P 94-117-1 Avril 200. Portance des plate-formes. Patie 1: Module sous chargement statique a la plaque (EV2)

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