DISEÑO DE PAVIMENTOS

Ingeniero. Henry Martínez BarbosaEsp. Vías y Transporte UNAL.

Pereira‐Risaralda‐Colombia

INFORMACIÓN DE TRÁNSITO REQUERIDA PARA EL DISEÑO DE UN PAVIMENTO

• El Número de ejes por carril y su distribución en diferentes grupos de carga durante el periodo de diseño del pavimento.

• El efecto destructivo de los vehículos circulantes y la incidencia estructural de unos ejes con respecto de otros de diferente magnitud y con figuración

INFORMACIÓN DE TRÁNSITO REQUERIDA PARA EL DISEÑO DE UN PAVIMENTO

MANERAS DE CARACTERIZAR EL TRÁNSITO

• Emplear cargas equivalentes por eje, convirtiendo las cargas reales esperadas a un número equivalente de aplicaciones de un eje normalizado, generalmente el eje simple de 80kN. Este es el procedimiento utilizado en Colombia para el diseño de pavimentos asfálticos.

• Emplear el espectro de carga real de ejes simples, tándem, triples y cuádruples. Este espectro incluye el número de ejes en una serie de grupos de carga, durante intervalos de tiempo prolongados. Este es el procedimiento corriente para el diseño de pavimentos rígidos

FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE

• Factor numérico que relaciona el número de aplicaciones de la carga por eje de referencia que produce en el pavimento un determinado deterioro y el número requerido de aplicaciones de otra carga por eje para producir el mismo deterioro

• El deterioro se mide en términos de la pérdida de índice de servicio presente

INDICE  DE  SERVICIALIDAD.La condición necesaria de un pavimento para proveer a los usuarios un manejo seguro y confortable en un determinado momento. Inicialmente esta condición se cuantifico a trasvés de la opinión de los conductores, cuyas respuestas se tabulan entre 1 y 5

Donde:SV: Variación de las cotas de la rasante en sentido longitudinal en relación a la rasante inicial (Rugosidad en sentido longitudinal).Cf: Suma de las áreas fisuradas en pies2 y de las grietas longitudinales y transversales en pies lineales, por cada 1000 pies2 de pavimento.

P: Área bacheada en pies2 por cada 1000 pies2 de pavimento.RD: Profundidad media de ahuellamiento en pulgadas. Mide la rugosidad transversal.

En los pavimentos flexibles estudiados por la AASHTO, el 

pavimento nuevo alcanzó un valor medio de po = 4,2. (el Po índice inicial es de  4.2  ).

El índice de servicio final Pt representa al índice más bajo capaz de ser tolerado por el pavimento, antes de que sea imprescindible su rehabilitación mediante un refuerzo o una reconstrucción. El valor asumido depende de la importancia de la carretera y del criterio del 

proyectista, se sugiere para carreteras de mayor tránsito un valor de Pt ≥ 2,5 y para carreteras de menor tránsito Pt = 2,0

http://enestegallineroyosoyelgallo.blogspot.com.co/2011_02_01_archive.html

Po = 4,2 Po = 2

EjemploEstablecer el factor de equivalencia de carga por eje (FECE) para la siguiente situación:

—La acción de 100,000 aplicaciones de un eje de 80kN produjo en un pavimento una caída del índice de servicio presente de 4.2 a 2.5, en tanto que otro pavimento idéntico soportó 10,000 aplicaciones de un eje de 142kN para sufrir la misma caída en serviciabilidad

FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE

Solución FECE  =100,000/10,000= 10—Es decir, que una pasada de un eje simple de 142kN produce en un pavimento la misma pérdida de índice deservicio que 10 pasadas de un eje  simple  de  80kN

Los factores de equivalencia de carga por eje (FECE)dependen de:

—Tipo de pavimento—Condición  estructural  del  pavimento—Sistema  de  eje  vehicular—Índice  de  servicio  final  de  la  estructura

Tablas con valores de los factores de equivalencia  de carga  por  eje para diversas combinaciones de estas variables, aparecen en el manual de diseño   AASHTO‐93

FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE

FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE

80KN = 18Kip            1Kip = 453.5937Kg‐f    =4.45KN                       8.2Ton = 18.000libras

Los FECE se pueden expresar en términos de la magnitud de las cargas involucradas, las cuales deben corresponder a una misma configuración de ejes y número de llantas. n

r

i

PPFECE

Pi= Carga por eje consideradaPr=Carga por eje de referencian= Coeficiente empírico.   =4

FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE

Según se determinó en el ensayo AASHTO, el valor n en pavimentos asfálticos oscila en un entorno mas o menos restringido (3.8-4.2), lo que ha llevado a los diseñadores a adoptar un valor iguala 4.0 en la solución de los problemas rutinarios con estos pavimentos

4

r

i

PPFECE «Ley de la cuarta potencia»

En el mismo ensayo AASHTO se determinó que en pavimentos rígidos, la agresividad de una carga por eje respecto de la de referencia seguía una ley similar, pero el coeficiente n era mayor que en el caso de los pavimentos asfálticos, entre 4.0 y 4.4

FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE

EJEMPLO:

Determinar el factor de equivalencia de una carga por eje tándem de 29 toneladas con relación a una de 14.5 ton de las mismas características.

4

r

i

PPFECE 16

5.140.29 4

FECE

Es decir que, en términos generales, una carga de 29 toneladas produce en la estructura el mismo efecto que la aplicación de 16 cargas de 14.5 toneladas.

CARGAS POR EJE DE REFERENCIA 

En el AASHO ROAD TEST se adoptó como carga de referencia por eje simple con sistema de rueda doble una de magnitud igual a 80kN (18kip) y se supuso que ella producía en el pavimento un daño  unitario.

Las magnitudes de carga aplicadas con otros sistemas de ejes y/o de rueda, que produzcan en un pavimento el mismo deterioro que el eje simple de rueda doble de 80kN, se consideran también como cargas de  referencia

CARGAS POR EJE DE REFERENCIA 

Fórmulas simplificadas para el cálculo del factor de equivalencia de carga por eje AASHTO (pavimento flexible)

FACTORES DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE SEGÚN LA LEY DE LA CUARTA POTENCIAEQUIVALENCIA

El método más utilizado para estimar el tránsito con fines de diseño de pavimentos consiste en convertir las repeticiones esperadas del tránsito real a un número de aplicaciones del eje de referencia normalizado (80kN) que produciría el mismo deterioro en el pavimento.

Debido a la reducida magnitud de las cargas por eje de los vehículos livianos, éstas se suelen ignorar en los cómputos de tránsito confines de diseño de pavimentos.

CONCEPTO DE LA EQUIVALENCIA DE CARGA

EJEMPLO PRACTICO:

Calcular los ejes equivalentes para un vehículo 3S3

1 2 3 4 5 6

EJES EJE 1 EJE 2 EJE 3 EJE 4 EJE 5 EJE 6DATOS OBTENIDOS EN BASCULAS (ton) 6.24 8.32 9.88 8.84 11.44 7.28

Tipo de eje

Eje simple de 2 ruedas

Eje Tamdem doble rueda Eje tridem doble rueda

SUMA

Factor de equivalencia

TOTAL

4

r

i

PPFECE

Peso bruto vehicular 52.000kg (Resol 400‐2004) 

EJEMPLO PRACTICO:Calcular los ejes equivalentes para un vehículo 3S3

1 2 3 4 5 6

EJES EJE 1 EJE 2 EJE 3 EJE 4 EJE 5 EJE 6DATOS OBTENIDOS EN BASCULAS (ton) 6.24 8.32 9.88 8.84 11.44 7.28

Tipo de eje

Eje simple de 2 ruedas

Eje Tamdem doble rueda Eje tridem doble rueda

SUMA 6.24 18.2 27.56

Factor de equivalencia 0.80 2.17 2.06

TOTAL 5.03

4

r

i

PPFECE

Lo que quiere decir que el daño de este vehículo es el mismo que causaría 5. 03 ejes simples de 8.2ton en 4 ruedas.  FACTOR CAMION=5.03

52.000kg

EJEMPLO PRACTICO 02:Calcular los ejes equivalentes para un vehículo 3S3

1 2 3 4 5 6

EJES EJE 1 EJE 2 EJE 3 EJE 4 EJE 5 EJE 6DATOS OBTENIDOS EN BASCULAS (ton) 12.48 16.64 19.76 17.68 22.88 14.56

Tipo de eje

Eje simple de 2 ruedas

Eje Tamdem doble rueda Eje tridem doble rueda

SUMA

Factor de equivalencia

TOTAL

4

r

i

PPFECE

Peso bruto vehicular 104.000kg

ELEVEMOS LA CARGA AL  DOBLE.

EJEMPLO PRACTICO:Calcular los ejes equivalentes para un vehículo 3S3

1 2 3 4 5 6

EJES EJE 1 EJE 2 EJE 3 EJE 4 EJE 5 EJE 6DATOS OBTENIDOS EN BASCULAS (ton) 6.24 8.32 9.88 8.84 11.44 7.28

Tipo de eje

Eje simple de 2 ruedas

Eje Tamdem doble rueda Eje tridem doble rueda

SUMA 12.48 36.4 55.12

Factor de equivalencia 12.78 34.68 32.99

TOTAL 80.454

r

i

PPFECE

Lo que quiere decir que el daño de este vehículo es el mismo que causaría 80.45ejes simples de 8.2ton en 4 ruedas.  

104.000kg

LA CARGA DEL VEHICULO SE DUPLICO  PERO EL FACTOR DE DAÑO AUMENTO  16 VECES.El factor camión  es (5.05+80.45)/2= 42.75 IMPORTANCIA DE CONTROLAR EL PESO DEL CAMION

IMPORTANCIA DE CONTROLAR EL PESO DEL CAMION

http://mexico‐distr.all.biz/bascula‐para‐camin‐o‐bascula‐camionera‐g35737

http://www.revuelta.com.mx/basculas‐y‐soluciones‐de‐pesaje/soluciones‐de‐pesaje

EFECTOS DE LA SOBRECARGA EN LOS PAVIMENTOS

http://noticiascuriosasdeldia.blogspot.com.co/2010/10/los‐vehiculos‐mas‐sobrecargados‐del.html

EFECTOS DE LA SOBRECARGA EN LOS PAVIMENTOS

• Es el parámetro empírico que permite convertir el tránsito real en aplicación ese equivalentes del eje de referencia para diseño de pavimentos asfálticos

• El factor camión es el número de ejes simples equivalentes de referencia (80kN) que producirían en el pavimento un daño equivalente al de una pasada de un vehículo comercial promedio.

• El factor camión se puede determinar de manera individual para cada tipo de vehículo comercial o como promedio de todo el flujo de tránsito pesado

FACTOR CAMIÓN Es el numero por el cual debe multiplicarse cualquier cantidad de vehículos comerciales para convertirlos a ejes simples equivalentes de 8.2 toneladas. (18.000libras)

• Se pesan los ejes de los vehículos comerciales que circulen por la vía durante cierto lapso.

• Se tabulan por grupos los valores de carga por eje obtenidos para los diversos sistemas de ejes (espectro de carga)

• Los valores tabulados son afectados por los factores de equivalencia de carga por eje (FECE), aplicando los factores de AASHTO o empleando la ley de la cuarta potencia, si no se dispone de ellos.

DETERMINACIÓN DEL FACTOR CAMIÓN

El factor camión es un valor cuya magnitud cambia con el tiempo en una determinada carretera, debido a diversos factores:

—Desarrollo de la industria de fabricación de buses y camiones—Modificaciones en los límites de carga legal—Cambios en la  distribución  del  parque  de  vehículos  pesados

El valor numérico del factor camión está relacionado  directamente  con  la intensidad  de  la  sobrecarga  vehicular.

COMENTARIOS DE FACTOR CAMIÓN

EFECTOS DE LA SOBRECARGA VEHICULAR

Cálculo del número de ejes sencillos equivalentes de 80 kN del estándar AASHTO para pavimentos flexibles (NESE) a partir de series históricas del MOPT –INVIAS 

Este procedimiento se aplica en evaluaciones de tránsito para el diseño de pavimentos asfálticos

365***** FCDCDDVCTPDNESE ii

CÁLCULO  DEL  NÚMERO  DE  EJES  SIMPLES  EQUIVALENTES  EN  UN  AÑO i 

DISTRIBUCIÓN DIRECCIONAL DEL TRÁNSITO DE VEHÍCULOS COMERCIALES (DD)

Generalmente se supone que   DD=0.50La guía de rehabilitación de pavimentos asfálticos del INVÍAS recomienda emplear DD=0.55

PROPORCIÓN DE LOS VEHÍCULOS COMERCIALES QUE CIRCULAN EN UNA DIRECCIÓN, QUE UTILIZAN EL CARRIL DE DISEÑO (DC)

• Proporción del TPD que se moviliza en una dirección específica.• Usualmente, se presume una distribución del 50% por sentido.• La “Guía Metodológica para el Diseño de Obras de Rehabilitación de Pavimentos 

Asfálticos en Carreteras” (INVÍAS,2008) recomienda un valor de 55%• El “Manual de Diseño de Pavimentos Asfálticos para Vías con Bajos Volúmenes de 

Tránsito” ( INVÍAS, 2007) recomienda: 

Evolución de los factores de deterioro vehicular (Fdv) en el periodo 1970 – 2012 

FUENTE:   Evaluación de factores camión de los vehículos  comerciales de carga que circulan por la red vial principal colombiana. Luis F. Macea 1, Luis G. Fuentes*1, Allex E. Alvarez21 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad del Norte. Km.2 Departamento de Ingeniería Civil, Universidad del Magdalena. Carrera 32

Datos• Carretera de dos carriles• Tránsito promedio diario = 1200 vehículos• Livianos = 40%; Buses =15%; Camiones 45%• Factor camión = 2.40

EJEMPLO DE CÁLCULO

Solución• VC = 15% + 45% = 60% = 0.60• DD = 0.5 (distribución direccional)• DC = 1.0 (un carril por dirección)

NESEi= 1200*0.6*0.5*1.0*2.40*365 = 315,360 ejes 

TENDENCIA    HISTORICA   Y   PROYECCION   DE   TRANSITO

ECUACIONES DE TENDENCIA

• Si  se dispone de información sobre la evolución del tránsito, se calculan los NESE durante  los últimos años.

• Se establecen tendencias de crecimiento de tipo matemático y se adopta aquella que presente mejor coeficiente  de  correlación.

• Las ecuaciones de tendencia más aplicadas para estudiar el tránsito automotor son  la  exponencial   y  la   lineal   recta.

Obtención del NESE de un año “i”, a partir del factor de camión, para una serie histórica de “m” años:

‐Manual de diseño de pavimentos asfalticos en vías con medios y altos volúmenes de transito.  INVIAS 1998.‐Fernando Sánchez Sabogal.   PAVIMENTOS. Teoría, diseño, geología estudio económico y fallas.‐Cálculo del número de ejes sencillos equivalentes de 80 kN del estándar AASHTO para pavimentos flexibles (NESE) a partir de series históricas del MOPT –INVIAS Universidad Nacional de ColombiaSede Manizales Facultad de Ingeniería y ArquitecturaDepartamento de Ingeniería CivilPavimentos. Profesor: Luis Ricardo Vásquez Varela, M.Sc

Fuentes consultadas