TEMA : DISEÑO DE PAVIMENTOS

INTRODUCCIÓN

En tiempos actuales el diseño de pavimentos es un proceso en el cual intervienen una serie de factores.

Las metodologías y herramientas para el análisis sin diversas y actualmente son utilizadas en forma independiente según los requerimientos del proyecto y a criterio del diseñador.

El futuro del “arte del diseño de pavimentos” tiende a conceptuar el diseño en forma integral.

Los conceptos y técnicas siguen los principios de la “teoría de la utilidad”, en la cual se pondera cada factor que interviene en el análisis según grado de importancia.

Los criterios son establecidos por el diseñador y los cálculos son realizados con la ayuda de software especializado.

Considerando el complejo comportamiento de los pavimentos, existe la necesidad de adoptar métodos de diseño que consideren los diversos factores que afectan su desempeño durante la vida útil.

Esta no es una tarea fácil, porque involucra el análisis no solamente de los aspectos estructurales del pavimentos, sino también de factores económicos, nivel de servicios de cada vía y el grado de seguridad que le brinda al usuario.

METODOS DE DISEÑO

La mayoría de los métodos de diseño de pavimentos tienen un alto grado de empirismo, propio de las agencias que los han desarrollado

Es corriente obtener diferentes espesores al aplicar distintos métodos de diseño, empleando los mismos datos de entrada

Gran parte de estas diferencias se debe a la falta de una descripción precisa y cuantitativa de lo que constituye la falla de un pavimento de calle o carretera, así como a los niveles de confiabilidad que consideran los diferentes métodos

Los procesos de diseño de pavimentos se pueden dividir en dos grupos:

—Empíricos —Empírico - mecanísticos

PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO

Se basan en los resultados de experimentos o en la experienciaRequieren un elevado número de observaciones para establecer relaciones aceptables entre las variables y los resultados de las pruebasNo es necesario establecer una base científica firme de las relaciones, en la medida en que se reconocen suslimitaciones

En muchos casos resulta más conveniente confiar en la experiencia que tratar de cuantificar la causa exacta y el efecto de ciertos fenómenos

Ejemplos de métodos de diseño de concepción empírica son el de California (Hveem y Carmany), el AASHTO 86- 93, etc.

PROCESOS EMPÍRICO- MECANÍSTICOS DE DISEÑO

Incorporan elementos de ambos PlanteamientosLa componente mecánica determina las reacciones del pavimento, tales como esfuerzos, deformaciones y deflexiones, mediante el uso de modelos matemáticosLa porción empírica relaciona estas reacciones con el comportamiento de la estructura del pavimento (por ejemplo, relaciona una deflexión calculadamatemáticamente, con la vida real del pavimento)

Aunque existen técnicas mecanísticas complejas de cálculo, los modelos elásticos lineales sujetos a carga estática son los más empleados en la solución de problemas rutinarios de ingeniería de pavimentos

Ejemplos de métodos de diseño de pavimentos que usan estos procesos son el del Instituto del Asfalto, el de Shell y el AASHTO 2002

ETAPAS DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS

Estudio del Suelo y la SUB RASANTE Definición del Tipo de Superficie de

Rodadura y los componentes estructurales. Estudio del Tráfico Selección de los Materiales Sectorización del tramo de Diseño Diseño de los espesores de cada capa Analisis del ciclo de Vida (incluido

mantenimiento y tiempo de ejecución) Determinación del tipo de pavimento y de

los espesores finales

FUNCIONES DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO

Proporcionar a los usuarios circulación segura, comoda y confortable sin demoras excesivas

Proporcionar a los vehiculos acceso a la vía bajo cualquier condición del clima

Distribuir la carga del tráfico para que esta no dañe la subrasante.

Cumplir requerimientos media ambientales y esteticos

Limitar el ruido y la contaminación del aire.

PRINCIPIO DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS

Diferencias con otros problemas de diseño de Ingeniería CivilLas estructuras del Pavimento, son diseñadas considerando que fallaran en forma progresiva y no súbitamente. En el caso de Pavimentos el comportamiento el comportamiento varía a lo largo del tiempo como consecuencia de la modificación en las propiedades de los materiales, el efecto ambiental y los cambios en las condiciones de carga del trafico.

Por lo tanto al diseñar debemos ser capaces de pronosticar el deterioro estructural y funcional del pavimento durante su periodo de vida útil.

RESPUESTA Y COMPORTAMIENTO Aunque en apariencia las estructuras de

Pavimentos son simples, en realidad son complicadas debido a la gran cantidad de variables que influyen sobre el comportamiento del mismo. Por este motivo una gran cantidad de simplificaciones deben de ser hechas a fin de analizar la respuesta y comportamiento de un pavimento.

La respuesta estará dada en términos de esfuerzos y deformaciones en cada capa del pavimento, el comportamiento en términos de las condiciones estructurales y funcionales son obtenidas mediante relaciones empíricas con la respuesta del pavimento y el grado de deterioro

En conclusión, el Diseño de Pavimento, es el proceso por el cual sus componentes estructurales (Carpeta, Base, Sub base, Subrasante) son determinados tomando en consideración las características del suelo y naturaleza de la sub rasante, las consideraciones ambientales, la densidad y composición del trafico y las condiciones de la vía para la cantidad de vehículos circulantes y su mantenimientoAsimismo se debe conocer las características Geográficas–Físicas de la zona de proyecto y las características Geológicas, Hidrológicas y Topográficas del Terreno, la calidad de materiales y especificaciones o normas de construcción requeridas.Asimismo requiere conocimiento de la Red Vial.

Elementos geométricos del Pavimento

Normas y Estandares Normas del Ministerio de Transportes y

Comunicaciones ( MTC )- Reglamento Nacional de Gestión de Infraestructura - Manual DG Normas de diseño geométrico- EG Especificaciones Generales- EM Ensayos de Materiales- Diseño de Carreteras pavimentadas de

bajo Trafico- Diseño de Carreteras No pavimentadas

de bajo Trafico- Normas de diseño de Pavimentos Urbanos (aceras y Pavimentos)- Normas ASTM y AASTHO

DISEÑO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE

Al diseñar la estructura de un pavimento, se establecen los espesores y rigideces de los materiales para mantener la vía funcionando, con bajo nivel de deterioro y confort. En el Perú no existe norma obligatoria para el diseño de Pavimentos, dependiendo de la entidad y el diseñador se usan los métodos como AASTHO 93, Instituto del Asfalto, PCA, etc. En el diseño de Pavimentos Flexibles necesitamos establecer y distinguir las principales características que determinaran nuestro diseño de espesor total del Pavimento y de la carpeta o superficie de rodadura a colocar.

1.- Suelos 2.- Tráfico3.- Medio Ambiente 4.- Materiales5.-Economia

PARAMETROS PRINCIPALES EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS

El suelo es el soporte de la estructura del Pavimento y representa uno de los problemas mas complejos a entender en el diseño. Influye en la definición del trazo y la dimensiones de la estructura así como de su futuro mantenimiento.

Se requiere conocer las propiedades de los suelos que servirán como suelo de fundación y subrasante pudiendo ser naturales o transportados como en el caso de los rellenos

1.0 ESTUDIO DE SUELOS

INFLUENCIA DE LAS CARGAS EN UN PAVIMENTO FLEXIBLE

1.50 m

ETAPAS

1.1 Exploración

1.2 Caracterización

1.3 Propiedades

1.4 Capacidad de Soporte

1.1 EXPLORACIÓN DEL SUELO DE FUNDACIÓN

La exploración del suelo permite:Estudiar las propiedades mecánicas, físicas y químicas del suelo, para el soporte del pavimento, la estructura vial y la estabilidad de taludes.Estudiar la factibilidad técnica del alineamiento horizontal y verticalEstablecer el nivel freático del terrenoClasificar los tipos de materiales para corteLocalizar y caracterizar los materiales de las canteras.

Selecciónar los Tramos de diseño en base a las características geológicas, topográficas y de Drenaje

PROCEDIMIENTO A SEGUIR :› Determinar la ubicación de las excavaciones o exploraciones

en base a la información preliminar, la visita de campo y el trazo del eje de la carretera.

› Realizar Calicatas espaciadas de acuerdo al tipo de proyecto y condiciones del suelo de fundación, ( 50 mts. en zonas urbanas y de 150 a 450 m. en carreteras a una profundidad mínima de 1.50m

› Efectuar las excavaciones o perforaciones dentro de la franja de influencia del tramo, que por lo general está comprendida entre 10 a 25 m. del eje de la carretera. (Calicatas, Posteadora, etc.)

› Elaborar el perfil estratigráfico de las excavaciones.› Efectuar ensayos de campo, Densidad de campo, penetración

dinámica (Cono de Penetraci{on ligera PDC), toma de muestras alteradas e inalteradas.

› Realizar ensayos de laboratorio, examinando registros de perforaciones y seleccionando muestras oara CBR, Triaxial, etc. Sectorizar el tramo en base a la resistencia del suelo y el perfil estratigráfico

1.2 CARACTERIZACION DE LOS SUELOS

Se realizan los ensayos y trabajos de campo, teniendo como base primero la información geológica o visual existente

Visualmente se clasifica a los suelos en grupos básicos tales como: grava (Roca), arena, limos y arcillas (SUCS, AASTHO)

Observación Directa propiedades en campo * Textura* Forma de los granos* Granulometría* Plasticidad

1.3 PROPIEDADES FISICO-MECANICAS

Se determinan la propiedades del suelo mediante ensayos de laboratorio

Contenido de Humedad ( contenido de agua en el suelo = Peso del agua de la muestra entre el peso del solido (secado en horno, expresado como %)Ww

W= ------- x 100Ws

Análisis granulométrico (ASTM D-422 – 69 y ASTM 2217 – 85), antiguo procedimiento usado para clasificación de suelos, determina las propiedades relativas de distintos tamaños de granos, distruidas entre rangos de tamaño( distribución granulometrica) mediante tamices para tamaños de particulas retenidas en la malla N° 200 o un proceso de sedimentación (Hidrometro) para tamaños de particulas menores que la malla N° 200).

PERFIL ESTATIGRÁFICO

El perfil Estratigráfico es elaborado con los datos que se obtiene de los análisis granulométricos.

Gravedad Especifica de los sólidos Es la relación del peso de un determinado volumen de material con el peso de un volumen igual de agua a 20 ° C, indicándonos que tan pesado o liviano es con respecto al agua; normalmente es aplicada para fracciones de suelo que pasan la malla N° 4 - Suelos inorgánicos 2.6 – 2.8- Arena compuesta de cuarzo 2.65 – 2.67- Arcilla Inorgánica 2.7 - 2.8- Suelos altamente orgánicosMenores a 2.60 - 2.00

Constantes Físicas (ASTM D - 4318 – 95A) Las arcillas y algunos suelos finos muestran plasticidad si la cantidad apropiada de agua esta presente en el suelo. Un suelo plastico es aquel que puede deformarse mas allá del punto punto de recuperación sin romperse ni cambiar de volumen. Pudiendo ser remoldeados.Se representan estas constantes mediante los Limites de consistencia

› Limite Liquido LL Maximo contenido de agua que puede contener un material manteniendo su plasticidad

› Limite Plastico LP Menor contenido de agua que un material puede tener para comportamiento plastico

› Indice de Plasticidad IP Diferencia numerica entre limite Liquido y el Limite Plastico

Ensayo de Relación Esfuerzo densidad proctor modificado ( ASTM D 1557-91(Ensayo de compactación)

La compactación es uno de los procedimientos básicos de la construcción que comprende la Sub rasante, Sub Base y Base del pavimento, es el proceso de incrementar la cantidad de sólidos por unidad de volumen de suelos con técnicas mecánicas. Aumentando la densidad y mejorando las propiedades del suelo tales como resistencia, permeabilidad y compresibilidad.

La cantidad de compactación es cuantificada en términos de densidad del suelo( Peso Unitario Seco), usualmente el suelo puede ser compactado si es añadida una cierta cantidad de agua, que le permita una mayor cohesión, caso contrario si hay exceso de agua el efecto será contrario y las particulas del suelo se separarán.

1.4 VALOR DE SOPORTE DEL SUELO DE FUNDACION

Ensayo de California Bearing Ratio(CBR) ASTM D-1883Fue desarrollado por la división de Carreteras de California en 1929, adoptado por el cuerpo deIngenieros para usarlo en el diseño de pavimentos en lugares donde el congelamiento no es un factor de control.Es un indicador del Valor de resistencia del suelo a las cargas que sea expuesto, permitiendonos obtener un indicador (CBR ) de la resistencia del suelo, de la subrasante, de la subbase y Base para usarlo en el diseño de pavimentos, determina los materiales a usarse a partir de especimenes Compactados en laboratorio mediante 02 pasos:

- Preparar los especimenes para los ensayos- Realizar ensayos de penetración en las muestras

LA SUBRASANTE DEL PAVIMENTO

Esencialmente mide la resistencia de cortante del suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas para compactaciones variables.

Este índice de resistencia al corte, expresa en porcentaje (%), la carga necesaria para introducir un pistón estándar en un material determinado 0.10 pulgadas con un esfuerzo estándar de penetración de 1,000 lbs por pulgada cuadrada(psi).Este esfuerzo es aproximadamente lo que se requiere para logra que el mismo piston penetre 0.10 pulgadas dentro de la masa de roca triturada( piedra caliza)

Su valor puede ser considerado como la fuerza del suelo respecto a la de la piedra triturada.

Modulo de ResilenciaActualmente se viene remplazando al CBR por el Módulo Resilente (MR) especificado en la Norma AASHTO T-274 Es un nuevo criterio de diseño que tambien caracteriza la

capacidad de soporte del suelo, pretendiendo determinar mejor el comportamiento del suelo ante las solicitaciones de carga durante la vida util del pavimento, conociendo que cada material no es elastico si presenta deformación plastica acumulada con cada aplicación de carga, sin embargo si la carga es reducida respecto a la resistencia del material, la deformación acumulada será reducida y el material considerado elastico. El módulo elastico que es calculado en base a la deformación recuperable bajo cargas repetitivas(100-200) es el valor de Módulo Resilente (Mr)

En forma practica se obtiene utilizando ecuaciones de correlacion con el valor de CBR para efectos del valor del suelo en los diseños.

La guia AASTHO propone la siguiente ecuación:Mr =1500 x CBR

2.- ESTUDIO DE TRAFICO El TRAFICO es una de las variables mas

importantes en el diseño de PAVIMENTOS, si bien el volumen y dimensiones de los vehículos influyen en su diseño geométrico, el número y peso de los ejes de estos son factores determinantes en el diseño de la estructura del pavimento.

La determinación del trafico de diseño, requiere datos de Cargas Maximas y su configuración, Presíón de los neumaticos, Transito año inicial , Periodo de diseño, Tasa de Crecimiento y Espectro de carga.

DEFINICIONES Volumen de Trafico.-

N° de vehículos que pasan por un determinado punto o lugar del carril de la carretera en determinado periodo . Puede ser horario, diario, semanal,etc

Eje Sencillo: Eje en cuyos extremos lleva una o dos ruedas sencillas.

Eje Tàndem: Constituido por dos ejes sencillos con ruedas doble en los extremos.

Eje tridem: Constituido por tres ejes sencillos con ruedas doble en los extremos.

Vehículos livianos: Son aquellos de menos de 5 toneladas de capacidad tales como automóviles, camiones, combis, etc.

Vehiculos comerciales: Son aquellos de más de 5 toneladas de capacidad tales como camiones, buses, remolques, etc.

DEFINICIONES Transito promedio diario:

Es el volumen de transito durante un periodo de tiempo, dividido por el numero de días del periodo. Se denota como TPD. Según el periodo utilizado para medir el volumen de transito, el TPD puede ser anual, mensual, semanal, denominándose TPDA TPDM, TPDS, respectivamente.

Estación de control o Conteo.- Punto de medición del volumen de vehículos

Tramo Homogéneo.- Sección de carretera con características geométricas o volumen de transito similar.

Transito normal.- Transito que utiliza la vía en en condiciones presentes y crece en funcion a Tasas de crecimiento, se obtiene por conteo y clasificación vehicular

DEFINICIONES Transito Desviado.- (Atraido)

Transito que utiliza otras vías y como consecuencia del nuevo proyecto se desvían pero mantienen el origen-destino

Tránsito Transferido.- Tránsito que cambia su origen – destino como resultado del nuevo proyecto, en este caso el proyecto habilita nuevas áreas de desarrollo y atrae viajes de otros origen – destino

Transito Generado.- Tránsito inexistente antes del proyecto debido a la generación de nuevas actividades y se produce un aumento de viajes.

DEFINICIONES Transito Inducido :

Suma del Transito Desviado y el Generado Nivel de Servicio :

Es una media de la calidad del flujo de transito por la vía. Se cuantifica con una serie de factores tales como la velocidad, el tiempo de recorrido, las interrupciones del transito, la libertad de manejo, la seguridad y los costos de operación.

Volumen de servicios: Es el volumen de transito que le corresponde a cada nivel se servicio.

Capacidad: La capacidad de una via o de un carril es el numero máximo de vehículos que pueden circular por una u otra durante un periodo de tiempo determinado sin que se presenten demoras ni restricciones en la libertad de movimientos de los vehículos

Determinación del trafico de diseño

2.1 Composición 2.2 Estadística 2.3 Proyección

Una de las características primordiales que afectaran nuestro camino, son las cargas que efectuaran presión sobre ella, a continuación aprenderemos la forma en que se efectúan estas cargas.Cargas de proyecto.Las cargas de proyecto consideradas para el calculo de las estructuras son: cargas muertas, cargas vivas, impacto, presión de viento, etc. en lo siguiente estudiaremos las cargas vivas, ya que son de mayor preponderancia en nuestro diseño.De acuerdo con las especificaciones de la American Association State Highway and Transportation Officials (A.A.S.H.T.O.) las cargas se designan como H y HS.

Un camión de dos ejes es una carga H. A continuación de la letra se coloca un numero (10,15,20) que indica el peso bruto en toneladas del sistema ingles (2000 lb.) del camión especificado como carga.

Las cargas HS corresponden a un camión tractor, de dos ejes con un semi remolque de un solo eje. Los números que se colocan a continuación de la H y de la S representan el peso bruto, en toneladas del sistema ingles, del tractor y del semiremolque, respectivamenteEl 80% del peso bruto del camión o del camión tractor cae en sus respectivos ejes posteriores. Al eje del semi remolque se le supone siempre una carga igual a la del eje posterior del camión tractor.

.

De acuerdo con lo anterior tenemos que un camión H 20, es un camión de 40,000 lb. De las cuales el 80%, o sean 32,000 lb.; corresponden al eje trasero y 20%, o sean 8,000 lb. corresponden al eje delantero. De igual manera una carga H 20 S 16 representa un camión tractor de 40,000 lb; con un semiremolque de 32,000 lb. En este caso la distribución por eje es de 32,000 lb. para el eje trasero, 32,000 lb. Para el eje del semiremolque y de 8,000 lb. para el eje delantero del tractor.

Clasificación de Tipo de Vehículo de acuerdo a disposición de ejes – Carga Máxima Legal

Al circular por un pavimento los vehiculos tienen un amplio espectro de ejes de carga con diferentes espacios entre llantas y sus presiones de inflado, lo que origina una amplia gama de esfuerzos y deformaciones aplicadas aplicados a un punto de la estructura

Se estima como fuente confiable el “AASTHO ROAD TEST” adoptada por el MT, que toma como patron un eje sencillo de 8.2 TM, valor similar a 20,000 lbs.

En el Perú la Norma establece: peso bruto máximo total por vehículo < 48,000Kg

2.1 COMPOSICIÓN DEL TRÁNSITO

TIPO DE EJE Y PESO MAXIMO Ejes Neumáticos

Kilogramos simple | 02 6,000simple 04 11,000Doble (Tandem) 06 15,000Doble (Tandem) 08 18,000Doble (no 08 16,000Tandem) 10 23,000Triple (Tridem) 12 25,000Triple (Tridem) Los tipos de Vehiculos y sus características están definidos en el Reglamento de Tránsito, los cuadros siguientes muestran la

información requerida para el diseño.

Reglamento Nacional de Transito

Artículo 1°.- La vía comprende la calzada, la acera, la berma, la cuneta, el estacionamiento, el separador central, el jardín y el equipamiento de servicios necesarios para su utilización.

Artículo 1°.- La vía comprende la calzada, la acera, la berma, la cuneta, el estacionamiento el separador

central, el jardín y el equipamiento de servicios necesarios para su utilización. Las vías públicas se utilizan de conformidad con el presente Reglamento y las normas que rigen sobre la materia. Artículo 2°.- Los elementos integrantes de la vía pública, sean funcionales, de servicio o de ornato complementarios, son habilitados o autorizados por las respectivas Autoridades, según su competencia. Artículo 3°.- La clasificación y nomenclatura de las vías se encuentran establecidas en el Reglamento Nacional de Jerarquización Vial, al que se sujetarán las Autoridades competentes en sus respectivas jurisdicciones. Artículo 4°.- El uso del derecho de vía para la instalación de elementos y dispositivos, no relacionados con el tránsito, se realiza de conformidad con las condiciones establecidas en el Reglamento Nacional de Gestión de Infraestructura y en el presente Reglamento. Artículo 5°.- Las normas técnicas de diseño, construcción y mantenimiento de las vías, se encuentran establecidas en el Reglamento Nacional de Gestión de Infraestructura, al que se sujetarán las Autoridades competentes en sus respectivas jurisdicciones

.

Artículo 6.- Para la apertura, modificación, clausura, interrupción u ocupación de la vía pública con motivo de la ejecución de obras u otros fines, la Autoridad competente, ejerce la autorización, coordinación y supervisión. Artículo 7°.- Solamente la Autoridad competente ordena el cierre temporal de vías o la colocación o el retiro de dispositivos de control del tránsito.  Artículo 8°.- Para la realización de obras en la vía pública destinadas a su reconstrucción, mejoramiento, conservación o instalación de servicios, se debe contar con autorización previa de la Autoridad competente, debiendo colocarse antes del inicio de las obras los dispositivos de prevención correspondientes. Artículo 9°.- Durante la ejecución de obras en la vía pública, debe preverse un paso alterno que permita el tránsito de vehículos, personas y animales sin riesgo alguno. Igualmente, se debe asegurar el ingreso a lugares sólo accesibles por la zona en obra. La Policía Nacional del Perú a través de sus órganos competentes, garantiza y controla la libre circulación. La señalización requerida, los desvíos y las reparaciones no efectuadas en los plazos fijados por los responsables de la ejecución de las obras, serán llevados a cabo por el organismo con competencia sobre la vía pública o la empresa que éste designe, con cargo a aquellos, sin perjuicio de las sanciones que correspondan. Artículo 10°.- La Autoridad competente responsable de la vía debe establecer un sistema de control de accesos. Los propietarios de inmuebles colindantes deberán obtener autorización por escrito de la referida autoridad antes de la construcción de un acceso a la vía pública. La solicitud de autorización será rechazada si dicho acceso pudiera resultar inseguro.

2.2 ESTADÍSTICA DE TRÁFICO

Esta basado en el conteo de tráfico

El tráfico que recibirá la carretera puede ser: Trafico Normal existenteTráfico Desviado .- El Tráfico Transferido.- El Trafico Generado

2.3 PROYECCION DEL TRAFICO

Un pavimento debe soportar el transito y el que pase durante su vida de servicio, sus cargas están en función a cambios en la economía , en la población y uso de la tierra.

La metodología para encontrar la tasa de crecimiento para el tráfico está basada en:

Crecimiento poblacional Crecimiento Bruto Interno Producto Bruto Interno Per-Capital por

habitante

Para el dimensionamiento del Pavimento interesa el transito que pasa por un carril, denominado carril de diseño, por el cual circulan el mayor volumen de vehiculos pesados, utilizándose para su detrerminación los siguientes valores:

El transito así obtenido se deberá proyectar al futuro una vez establecido el periodo de diseño y determinada la tasa anual de crecimiento del transito

NUMERO DE CARRILES

% de Vehiculos PESADOS en el carril de diseño

2 50

4 45(35-48)*

6 ó más 40(25-48)*

•Para el calculo del tráfico futuro se emplea la siguiente fórmula: Tn= To(1+r)n

Donde:Tn = Transito proyectado al año “n” en vehiculos/día

To = Transito actual en Vehic./día

r = Tasa anual de crecimiento del tránsito

n = N° de años del periodo de diseño

• Cargas Equivalentes para el diseño de Pavimentos

Para evaluar los efectos em el pavimento de las cargas

diferentes a la estandar de 8.2 tM, equivalente a uma tandem de 14.5 Tm. Se há determinado factores de equivalencia de cargas que se han obtenido a partir del

AASTHO ROAD TEST, expresado como : (P1/Po)4

Donde P0 es la carga estandar de 8.2 tm. y P1 carga cuya

equivalencia con la estandar se quiere calcular.

Factor Camión N° de aplicaciones de ejes sencillos con

carga equivalente de 8.2 TM, correspondiente al paso de un vehiculo comercial(Bus o camión),

Es dificultoso determinarlo, para efectuar el diseño se debe tomar el valor de una vía similar o calcularlo mediante un calculo empirico , variando sus valores según el tipo de vehiculo C-2 = 1.4, C3 = 2.4, C4 = 3.67, C3 – S2 a 4.67, C3 – S3 a 5.0 y Bus P-600 , Bus P-900 a 0.2 en promedio.

5.- ESTUDIO DE MATERIALES

La búsqueda de materiales es una laborfundamental dentro del diseño de pavimentospor lo tanto demanda mucha rigurosidad.

Identificación de la Cantera Reconocimiento en planos topográficos con

el propósito de orientar la búsqueda.

Prospecciones que aseguren los volúmenes requeridos.

Ensayos de Calidad de Materiales.

DISEÑO DE PAVIMENTOS

Metodologías Clásicas Metodologías Actuales Nuevas Tendencias

1.0 Metodologías Clásicas

Método del CBR CBR de la Subrasante Tráfico

Método del Índice de Grupo Índice de Grupo del Suelos Tráfico

2.0 Metodologías Actuales

2.1 Método de la AASHTO 2.2 Método del Instituto del Asfalto

Conceptos De Perfomance o Comportamiento de Pavimentos

La performance o comportamiento de un pavimento puede definirse como la capacidad estructural medible a lo largo de su periodo de diseño.

La capacidad funcional comprende:› Calidad aceptable de rodadura› Adecuada fricción superficial› Geometría apropiada para seguridad› Aspecto estético.

ANALISIS ESTRUCTURAL

Es fundamental efectuar el análisis empleando el modelo que mejor represente el comportamiento de la estructura ante las solicitaciones de carga.

Con este propósito, es recomendable utilizar un procedimiento mecanistico calibrado de diseño de pavimentos.

Estos métodos utilizan modelos para simular el efecto del medio ambiente en la estructura, modelos que estimen el índice se servicio y la probabilidad de apariciones de fallas en el pavimento.

La capacidad estructural del pavimento implica soportar las cargas impuestas por el transito y las condiciones ambientales.

La capacidad estructural y funcional están íntimamente relacionadas. En efecto, un deterioro estructural de un pavimento se manifiesta por una disminución de su capacidad funcional ya que hay un incremento en rugosidad, ruido y un riesgo para los vehículos y ocupantes que lo transiten.

Algunos métodos enfatizan como objetivo del diseño proveer a la vía de un adecuado nivel de servicio. Este es el caso del método AASHTO, que establece relaciones entre el nivel de servicio y las propiedades estructurales de los materiales que conforman la estructura del pavimento. Se basa este método en el análisis de regresión con datos recolectados en forma experimental.

METODO AASTHO

2.1 AASHTO- 93

Desde la publicación de la primera guía AASHTO en 1961, se han efectuado modificaciones en la ecuación de diseño con la finalidad de mejorar su uso y su confiabilidad.

El método AASHTO para diseño de pavimentos flexibles publicada en 1993 incluye importantes modificaciones dirigidas a mejorar la confiabilidad del método

Asimismo describe con detalle los procedimientos para el diseño de la sección estructural de los pavimentos flexibles y rígidos de carreteras. En el caso de los pavimentos flexibles, el método establece que la superficie de rodamiento se resuelve solamente con concreto asfaltico y tratamientos superficiales, pues asume que tales estructuras soportaran niveles significativos de transito. (mayores de 50,000 ejes equivalentes acumulados de 8.2 Ton. Durante el periodo de diseño), dejando fuera pavimentos ligeros para tránsitos menores al citado, como son los caminos revestidos o de terracería

Parámetros de Diseño W18 = Número esperado de repeticiones de

ejes equivalentes a 8.2 tn en el periodo de diseño. Zr =Desviación Estándar de error combinado en la

predicción de tráfico y comportamiento estructural. So =Desviación Estándar Total. ∆PSI = Diferencia entre la Serviciabilidad Inicial (Po)

y Final (Pt) Mr =Módulo Resilente de la Sub-Rasante (psi) SN = Número Estructural, indicador de la Capacidad

Estructural requerida (materiales y espesores) ai =Coeficiente Estructural de la capa i Di =Espesor de la Capa i Mi =Coeficiente de Drenaje de la Capa Granular i

Parámetro W18

Para la guía AASHTO corresponde al EAL afectado por coeficientes que representan el sentido y el número de carriles que tendrá la vía

W18= DD x DL x EAL

EAL = Numero de ejes equivalentes a 8.2 tn en el periodo de diseño.

DD= Es un factor de distribución direccional. Por lo general se considera 0.5

DL = Esta dictado por el siguiente cuadro.

FACTOR CARRILNUMERO DE LÍNEAS EN

CADA DIRECCIÓN

PORCENTAJE PARA EJES DE 8.2 TN EN CADA DIRECCIÓN

1 100

2 80 – 100

3 60 – 80

4 50 – 75

Fuente : AASHTO

EAL( 8.2 Tn) = 365 (IMD2E *FD2E+ IMD3E*FD3E + MDTYS * FDTYS)[(1+i)n-1] i

Donde :

EAL(8.2 Tn) : Número de Ejes Equivalentes a 8.2 tn en el periodo de diseño.

IMD2E : Índice Medio Diario de Camiones de 2 ejes IMD3E : Índice Medio Diario de Camiones de 3 ejes IMDTyST : Índice Medio Diario de Camiones de TyST FD2E : Factor Destructivo de Camiones de 2E FD3E : Factor Destructivo de Camiones de 3E FDTyST : Factor Destructivo de Camiones de TyST I : Tasa de crecimiento de los vehículos n : Periodo de Diseño

CONFIABILIDADCLASIFICACION GENERAL NIVEL DE CONFIABILIDAD

RECOMENDADOS

URBANO RURAL

AUTOPISTA Y CARRETERAS INTERESTATALES

85-99.9 80-99.9

OTRAS ARTERIAS PRINCIPALES 80 - 99 75 - 90

COLECTORAS 80 - 95 75 – 95

LOCALES 50 - 80 50 – 80

Confiabilidad R (%)

Desviación Estándar Normal (Zr)

50 60 7075 80 85 90 . .

99.99

-0.00 -0.253 -0.524 -0.674 -0.841 -1.037 -1.282 . . -3.750

Desviación Estándar Total (So)

0.30 - 0.45 Pavimentos Rígidos 0.40- 0.45 Pavimentos Flexibles

Es el grado de comodidad que la vía brinda al usuario existen diferentes maneras para analizar y cuantificar el grado de servicio.

Un parámetro usado es el índice de servicio, que establece una escala subjetiva de calificación de 0 a 5 siendo 5 la condición calificada como excelente. Otro indicador es la rugosidad, o irregularidades en el pavimento que en buena cuenta son ondas aleatorias multifrecuentes de diferentes amplitud y longitud de onda que puede ser analizado utilizando transformadas de Fourier.

INDICE DE SERVICIO

Índice de Serviciabilidad Presente

PSI inicial = Inicio del Periodo PSI Final = Fin del Periodo ∆PSI = PSI Final – PSI inicial

Módulo Resilente de la Subrasante

La guía AASHTO reconoce que muchas agencias no poseen los equipos para determinar el Mr y propone el uso de la conocida correlación con el CBR.

Mr(psl) = 1500 x CBR Mr= 1500xCBR para CBR < 10% sugerida por

AASHTO. Mr= 3000xCBR0.65 para CBR de 7.2% a 20%

esta ecuación fue desarrollada en Sudáfrica.

Mr= 4326xlnCBR + 241 utilizada para suelos granulares por la propia guía AASHTO

En el año de 1972 Van Til Et efectuó unmonograma de Correlación entre el Módulo Resilente conel CBR

Cálculo de Número Estructural

∆PSI log[---------- ]

4.2 - 1.5

log W18 =Zrx So + 9.36 x log (SN+1) - 0.20 +- - - - - - + 2.32 x log MR - 8.07

1094 0.40 +- - - - - - - - -

(SN+1)5.19

CARTA DE DISEÑO AASHTO 1993

ESTRUCTURACIÓN DEL PAVIMENTO

SN = a1x D1+A2 x D2 x m2 + a3 x D3

x m3

COEFICIENTE DE DRENAJECARACTERISTIC

AS DE DRENAJE

AGUA ELIMINAD

A EN

Porcentaje de tiempo en el año, que la estructura del Pavimento está expuesta a

un nivel de humedad próxima a lasaturación

< 1% 1% - 5% 5% - 25% > 25%

Excelente 2 horas 1.40-1.35

1.35-1.30 1.30-1.20 1.20

Bueno 1 día 1.35-1.25

1.25-1.15 1.15-1.00 1.00

Regular 1 semana 1.25-1.15

1.15-1.05 1.00-0.80 0.80

Pobre 1 mes 1.15-1.05

1.05-0.80 0.80-0.60 0.60

Muy malo No drena 1.05-0.95

0.95-0.75 0.75-0.40 0.40

Coeficiente de Aporte Estructural

En lo que respecta a este coeficiente se puede decir lo siguiente:

El coeficiente de aporte estructural (a1) para carpetas asfálticas en caliente esta en funcióna su Modulo deElasticidad y a su vezde la estabilidadMarshall.

El coeficiente estructural para material de Base es estimado a través de la siguiente formula

a2 = 0.2 xlog EBS – 0.977 EBS = K1θK2

Donde: θ= Sumatoria de estados de esfuerzos (psi) K1 y K2 = Constantes estadísticas de regresión

que están en función del tipo de material Los valores típicos para materiales de Base son:

K1 = 3000 a 8000 K2 = 0.5 a 0.7

Abaco de correlación entre CBR y coeficiente estructural de Base Granular

Material de Base ydel Ensayo de CBR(al 100%MDS)

ESPESORES MINIMOS (PULGADAS)

RANGO DE TRAFICO CONCRETO ASFALTICO

ESPESOR DE BASE

Menos de 50,000 1 (Tratamiento Superficial)

4

50,001 – 150,000 2.0 4

150,001 – 500,000 2.5 4

500,001 - 2'000,000 3.0 6

2'000,001 - 7'000,000 3.5 6

Mayor a 7'000,000 4.0 6

Ejemplo de Diseño:Tráfico de Diseño (W18): 6.02x106x0.5x0.9 =

2.71x106

CBR = 17.25%Mr= 19100 psiConfiabilidad = 80% (Zr= -0.841)So= 0.45Pi= 4.2Pt= 2.0SN = 2.69a1= 0.17/cm, a2= 0.053/cm (CBR=80%)m1= 1.0

DESIGNACIÓN ESPESOR (cm)

CARPETA ASFÁLTICA EN CALIENTE BASE GRANULAR

0920

2.2 Metodología del Instituto del Asfalto

Parámetros de Diseño* Calidad de la subrasante.* Materiales de construcción* Tráfico

El Método introduce valores promedios de

temperatura ambiental a la que el pavimento

estará sometidas todo el año

TEMPERATURA MEDIA DE DISEÑOTEMPERATURA

MEDIA ANUAL DEL AIRE

EFECTOS DE LA HELADA

<7°c (46°F) Si

15.5°C(60?F) Posible

>24°C(75?C) No

PORCENTAJE DE TRAFICO POR CARRIL DE DISEÑO NUMERO DE

CARRILES (DOS

DIRECCIONES)

% de Vehiculos

2 50

4 45(35-48)*

6 ó más 40(25-48)*

VALOR DE PERCENTIL PARA TRAFICO DE DISEÑO

RANGO DEL TRAFICO VALOR DEL PERCENTIL Menos 104 60% 104 a 106 75% mas de 106 87.5%

ESPESORES MINIMOS RECOMENDADOS

Rango TRAFICO Condición TRAFICO Espesor Mínimo

de Concreto ASFALTICO

Menos de 104 Tráfico bajo 75 mm 104 a 106 Tráfico medio 100 mm Mas de 106 Tráfico alto 125 mm

Abaco : Diseño de Espesores Instituto del Asfalto

ANALISIS ECONOMICO

Los aspectos económicos son importantes al momento de seleccionar el diseño final del pavimento. El análisis debe considerar todos los costos posibles durante el ciclo completo de vida del pavimento: costos construcción, costos de mantenimiento o de rehabilitación. Otros costos que se consideran en el análisis económico para estimar relacion beneficio / costo, calcular tasas internas de retorno (TIR), y valor actual neto (VAN) son los costos de operaciones vehicular, costos de tiempo de transporte etc. sin embargo es difícil cuantificar este tipo de costo y una mayor sofisticación en el proceso de análisis se efectúan cuandoel proyecto lo requiera.

Elección del Método de Diseño El método para el diseño y cálculo de

espesores depende del buen criterio del Ingeniero, condiciones climáticas y disposición de materiales.

La Metodología AASHTO se ajusta mejor a las características de nuestro medio por lo que es recomendada y aceptada por las entidades gubernamentales de nuestro país

Sin embargo, siempre será posible satisfacer objetivos múltiples y criterios del diseño en forma simultanea .

Este “sistema de diseño de pavimentos”, cuyo enfoque considera objetivos múltiples simultáneamente, debe emplear métodos de análisis concordantes con las características del proyecto, definiendo los niveles de aceptación para cada uno de los parámetros que interviene en el proceso, según el grado de importancia que se les asigne.