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Curso de DISEÑO DE PAVIMENTOS - 2014Curso de DISEÑO DE PAVIMENTOS - 2014

TEMA:

INTRODUCCION AL DISEÑO DE PAVIMENTO

MSC. ING. JOSE BUSTAMANTE

Febrero de 2014.

Introducción.Un pavimento esta constituido por un conjunto de capas superpuestas, relativamente horizontales, que se diseñan y constituyen técnicamente con materiales apropiados y adecuadamente compactados. Estas estructuras estratificadas se apoyan sobre sobrasarte de una vía obtenidas por el movimiento de tierras en el proceso de exploración y que han de resistir adecuadamente los esfuerzos que las cargas repetidas del transito le trasmite durante el periodo para el cual fue diseñada la estructura de pavimento.

CARACTERISTICAS QUE DEBE REUNIR UN PAVIMENTO. Un pavimento para cumplir adecuadamente sus funciones debe reunir los siguientes requisitos¨.

• Ser resistente a la acción de las cargas impuestas por el transito.• ser resistente ante los agentes de interperismo.• presentar una textura superficial adaptada a las velocidades previstas de circulación de los vehículos.• debe presentar una regularidad superficial, tanto transversal como longitudinal, que permitan una adecuada comodidad a los usuarios en función de las longitudes de onda de las deformaciones y de la velocidad de circulación.

CARACTERISTICAS QUE DEBE REUNIR UN PAVIMENTO. • debe ser durable• presentar condiciones adecuadas respecto al drenaje•El ruido de rodadura, en el interior de los vehículos que afectan al usuario, así como en el exterior, que influye en el entorno, debe ser adecuadamente moderado.• debe ser económico.•Debe poseer el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramientos, y ofrecer una adecuada seguridad al transito.

CLASIFICACION DE LOS PAVIMENTOS. En nuestro medio los pavimentos se clasifican en:• Pavimentos Flexibles, pavimentos semi_ rígidos, pavimentos rígidos y pavimentos articulados

Pavimentos FlexiblesEste tipo de pavimento esta formado por una carpeta bituminosa apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la base y la subbase, no obstante puede prescindirse de cualquiera de ellas dependiendo de las necesidades de cada obra.

FUNCIONES DE LAS CAPAS DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE.

LA SUBBASE GRANULAR•Función económica.Una de las principales funciones de esta capa es netamente económica ya que reduce las otras capas.•Capa de transiciónLa subbase bien diseñada impide la penetración de los materiales que constituyen la base con los de la sobrasarte y por otra parte impidiendo que los finos de la subrasante la contaminen menoscabando su calidad

FUNCIONES DE LAS CAPAS DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE.

LA SUBBASE GRANULAR•Disminución de las deformacionesA cambios en su contenido de agua (expansiones), impidiendo que dichas deformaciones se reflejen en la superficie de rodamiento.•Resistencia.La subbase debe soportar los esfuerzos trasmitido por las cargas de los vehículos a través de las capas superiores y transmitido a un nivel adecuado a la subrasante.•Drenaje.En muchos casos la subbase debe drenar el agua, que se introduzca a través de la carpeta o por las bermas, así como impedir la ascensión capilar.

FUNCIONES DE LAS CAPAS DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE.

LA BASE GRANULAR•Resistencia.La función fundamental de la base granular de un pavimento consiste en proporcionar un elemento resistente que trasmita a la subbase y a la subrasante los esfuerzos producidos por el transito en una intensidad apropiada.•Función Económica.Respecto a la carpeta asfáltica, la base tiene una función económica análoga a la que tiene la subbase respecto a la base.

FUNCIONES DE LAS CAPAS DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE.

CARPETA•Superficie de rodamiento.La carpeta debe proporcionar una superficie uniforme y estable al transito, de textura y color conveniente y resistir los efectos abrasivos al transito.•Impermeabilidad.hasta donde sea posible , debe impedir el paso del agua al interior del pavimento.•Resistencia Su resistencia a la tensión complementa la capacidad estructural del pavimento.

Pavimentos semi rígidos.Aunque este tipo de pavimento guarda basicamente la misma estructura de un pavimento flexible, una de sus capas se encuentra rigidizada artificialmente con un aditivo que puede ser: asfalto, emulsión, cemento, cal y químicos los cuales modifican las propiedades mecánicas de los materiales locales que no son aptos para la construcción de las capas del pavimento, teniendo encuentra que los adecuados se encuentran a distancias tales que encarecerían los costos de construcción.

Pavimentos rígidos.Son aquellos que fundamentalmente están constituidos por una losa de concreto hidraulico apoyados sobre la subrasante o sobre una capa de material seleccionado, la cual se denomina subbase del pavimento rígido.

Pavimentos articulados.Los pavimentos articulados están compuestos por una capa de rodadura que esta elaborada por bloques de concreto prefabricados, llamados adoquines, de espesor uniforme e iguales entre si esta puede ir sobre una capa delgada de arena la cual a la ves , se apoya sobre una capa de base granular o directamente sobre la subrasante, dependiendo de la calidad de esta y de la magnitud y frecuencia de las cargas que circulan por dicho pavimento.

Para poder comenzar a hablar de un proyecto de pavimentos flexibles, necesitamos entender y distinguir las principales características que determinaran nuestro diseño de espesor de carpeta. 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 conocen con la designación 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 ingle (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 semirremolque, respectivamente. El 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 del tractor, 32,000 lb. Para el eje del semiremolque y de 8,000 lb. Para el eje delantero del tractor.

continuación . . .

Las cargas anteriores son las llamadas cargas tipo y corresponden a una separación de 14 pies de distancia entre ejes del camión. La distancia entre el eje posterior del camión tractor y el eje del semiremolque varían entre 14 y 30 pies, calculándose siempre en las condiciones mas desfavorables.  Cuando se carga un camión o un remolque, la carga se distribuye entre los ejes en proporciones determinadas que pueden ser calculadas; para ello es necesario conocer: • El peso propio del camión vació en cada eje • El peso de la carga útil • Distancia entre ejes y entre cada eje y el centro de la carga útil. 

Si A es la distancia del eje delantero al centro de la carga útil, B la distancia del eje trasero al centro de la carga útil y C la distancia entre ejes, se tendrá: Carga útil sobre el eje trasero = A/C x carga útil Carga útil sobre el eje delantero = B/C x carga útil Se resolverá el caso de un camión con uno y con dos ejes posteriores.

continuación . . . Tipología de vehículos según legislación nicaragüense:Tipología de vehículos según legislación nicaragüense:VEHÍCULOS LIVIANOS:VEHÍCULOS LIVIANOS: son vehículos automotores de cuatro ruedas que son vehículos automotores de cuatro ruedas que

incluyen, automóviles, camionetas y microbuses de uso incluyen, automóviles, camionetas y microbuses de uso personal.personal.

VEHÍCULOS PESADOS DE PASAJEROS:VEHÍCULOS PESADOS DE PASAJEROS: son vehículos destinados al transporte público de son vehículos destinados al transporte público de

pasajeros de cuatro, seis y más ruedas, que incluyen los pasajeros de cuatro, seis y más ruedas, que incluyen los microbuses pequeños (hasta de 15 pasajeros y microbuses pequeños (hasta de 15 pasajeros y Microbuses Medianos de 25 pasajeros y los buses Microbuses Medianos de 25 pasajeros y los buses medianos y grandesmedianos y grandes..

SN2 = 3.30

Tipología de vehículos según legislación nicaragüense:Tipología de vehículos según legislación nicaragüense:VEHÍCULOS PESADOS DE CARGA:VEHÍCULOS PESADOS DE CARGA: son los vehículos destinados al transporte pesado de son los vehículos destinados al transporte pesado de

carga mayores o iguales a tres toneladas y que tienen carga mayores o iguales a tres toneladas y que tienen seis o más ruedas en 2, 3, 4, 5 y más ejes, estos vehículos seis o más ruedas en 2, 3, 4, 5 y más ejes, estos vehículos incluyen, los camiones de dos ejes (C2), camiones C3, incluyen, los camiones de dos ejes (C2), camiones C3, C2R2 y los vehículos articulados de cinco y seis ejes de C2R2 y los vehículos articulados de cinco y seis ejes de los tipos (T3S2) y (T3S3) y otros tipos de vehículos para los tipos (T3S2) y (T3S3) y otros tipos de vehículos para la clasificación de vehículos especiales, tales como la clasificación de vehículos especiales, tales como Agrícolas y de Construcción.Agrícolas y de Construcción.

Cargas legalesCargas legalesMáximas en Nicaragua Máximas en Nicaragua por tipo de vehículopor tipo de vehículo

El efecto de las cargas sobre los pavimentos:

El “tren de carga” pasa una sola vezEl “tren de carga” pasa una sola vez

continuación . . .

El efecto de las cargas sobre los pavimentos:El efecto de las cargas sobre los pavimentos:

Todos y cada uno de los vehículos es tomado en cuenta,Todos y cada uno de los vehículos es tomado en cuenta,a lo largo del lapso de diseñoa lo largo del lapso de diseño

Mediciones de volúmenesMediciones de volúmenes por métodos manualespor métodos manuales

Lapso de medición de volúmenes de tránsitoLapso de medición de volúmenes de tránsito El lapso ideal para la realización de un conteo –ya que se El lapso ideal para la realización de un conteo –ya que se

elimina cualquier error por condiciones estacionales del elimina cualquier error por condiciones estacionales del flujo de vehículos–es de un (1) año.flujo de vehículos–es de un (1) año.

Cuando el conteo se realiza en estaciones de ―Cobertura Cuando el conteo se realiza en estaciones de ―Cobertura Permanente‖, o en peajes, automáticamente al correr del año Permanente‖, o en peajes, automáticamente al correr del año se va registrando el volumen acumulado de vehículos.se va registrando el volumen acumulado de vehículos.

En estos casos el valor de vehículos por día es el verdadero En estos casos el valor de vehículos por día es el verdadero TPDA, ya que es el resultado de la medición a lo largo del TPDA, ya que es el resultado de la medición a lo largo del año.año.

Lapso de medición de volúmenes de tránsitoLapso de medición de volúmenes de tránsito En otras ocasiones o puntos de medición, no es ni práctico En otras ocasiones o puntos de medición, no es ni práctico

ni económico, el que se disponga de este lapso de tiempo. ni económico, el que se disponga de este lapso de tiempo. Lo ideal entonces, es realizar una medición de un mes Lo ideal entonces, es realizar una medición de un mes

continuo, en dos oportunidades del año para registrarcontinuo, en dos oportunidades del año para registrar cambios estacionales en el comportamiento del tránsito.cambios estacionales en el comportamiento del tránsito. En caso de que esto tampoco sea posible, la medición En caso de que esto tampoco sea posible, la medición

debería ser de una (1) semana completa, en dos debería ser de una (1) semana completa, en dos oportunidades en el año, en forma tal que se obtenga un oportunidades en el año, en forma tal que se obtenga un registro de lunes a domingo.registro de lunes a domingo.

De no ser posible en dos semanas durante el año, al menos De no ser posible en dos semanas durante el año, al menos de una semana (esto es lo mas corto de duración que ―se de una semana (esto es lo mas corto de duración que ―se parece al año‖)parece al año‖)

Lapso de medición de volúmenes de tránsitoLapso de medición de volúmenes de tránsito Si tampoco esto fuese posible, debería al menos disponerse de un Si tampoco esto fuese posible, debería al menos disponerse de un

registro de dos días laborales y de un día de fin de semana (sábado o registro de dos días laborales y de un día de fin de semana (sábado o domingo).domingo).

Si en algunos casos ni siquiera esto fuese posible, el conteo debe ser Si en algunos casos ni siquiera esto fuese posible, el conteo debe ser realizado en un día (24 horas) continuas, preferiblemente en un día realizado en un día (24 horas) continuas, preferiblemente en un día laborable.laborable.

Pudiera darse el caso de que ni aún pudiese contarse en un lapso de Pudiera darse el caso de que ni aún pudiese contarse en un lapso de 24 horas; en este caso debe irse a un conteo de doce horas.24 horas; en este caso debe irse a un conteo de doce horas.

Si ni aun pueden contarse en estas 12, debe irse a ocho (8) horas, y a Si ni aun pueden contarse en estas 12, debe irse a ocho (8) horas, y a veces solo podrá contarse durante una hora.veces solo podrá contarse durante una hora.

En estos casos, el TPDA debe ser obtenido dividiendo el número de En estos casos, el TPDA debe ser obtenido dividiendo el número de vehículos contado durante el periodo entre el ―factor de medición‖ vehículos contado durante el periodo entre el ―factor de medición‖ que se indica en la siguiente tabla:que se indica en la siguiente tabla:

continuación . . .

continuación . . .

continuación . . . Conclusión del conteo y clasificación de vehículosConclusión del conteo y clasificación de vehículos Para el conteo de vehículos, tal como ha sido mencionado en Para el conteo de vehículos, tal como ha sido mencionado en

láminas anteriores, se podrá disponer desde de equipos electrónicos láminas anteriores, se podrá disponer desde de equipos electrónicos muy modernos, hasta una simple observación visual, pero siempre, muy modernos, hasta una simple observación visual, pero siempre, aun en el caso de mayores dificultades, se podrá obtener o validar en aun en el caso de mayores dificultades, se podrá obtener o validar en campo la información de volúmenes de tránsito.campo la información de volúmenes de tránsito.

  

Efecto de la carga de los vehículos Es necesario conocer la Efecto de la carga de los vehículos Es necesario conocer la magnitud de la carga, y la configuración del eje que la transmite:magnitud de la carga, y la configuración del eje que la transmite:

Eje tándem doble (cuatro ruedas por lado)Eje tándem doble (cuatro ruedas por lado)

continuación . . .

continuación . . .Eje tándem Triple (tridem o triple)(seis ruedas por lado)Eje tándem Triple (tridem o triple)(seis ruedas por lado)

  (a) Pesaje mediante el empleo de balanzas con carga (a) Pesaje mediante el empleo de balanzas con carga detenidadetenida

(a.1) Balanza de peso total(a.1) Balanza de peso total Este sistema permite la medición de la carga de un vehículo Este sistema permite la medición de la carga de un vehículo

por medio de una balanza, normalmente mecánica, sobre la por medio de una balanza, normalmente mecánica, sobre la cual el vehículo debe estar detenido. cual el vehículo debe estar detenido.

Las balanzas que se emplean son del ―tipo romana‖, sobre la Las balanzas que se emplean son del ―tipo romana‖, sobre la cual se coloca todo el vehículo, y registran su peso total. cual se coloca todo el vehículo, y registran su peso total. Pueden ser empleadas para determinar el peso por eje, o Pueden ser empleadas para determinar el peso por eje, o grupo de ejes, desplazando el vehículo sobre la balanza, en grupo de ejes, desplazando el vehículo sobre la balanza, en forma tal que sobre la balanza solo esté cargando el eje, o forma tal que sobre la balanza solo esté cargando el eje, o grupo de ejes, que se desea pesar.grupo de ejes, que se desea pesar.

Este tipo de balanza es el que se emplea en los sitios en que Este tipo de balanza es el que se emplea en los sitios en que pesan los vehículos para el control de carga y sobre-carga. pesan los vehículos para el control de carga y sobre-carga. Son de tipo fijo, aun cuando se dispone de algunos modelos Son de tipo fijo, aun cuando se dispone de algunos modelos portátilesportátiles..

  

(a)Pesaje mediante el empleo de balanzas con carga (a)Pesaje mediante el empleo de balanzas con carga detenidadetenida(a.1) Balanza de peso por ―grupo (piña) de ejes‖ (Nicaragua)(a.1) Balanza de peso por ―grupo (piña) de ejes‖ (Nicaragua)

continuación . . .

  

continuación . . .

(a)Pesaje mediante el empleo de balanzas con carga detenida(a)Pesaje mediante el empleo de balanzas con carga detenida (a.1) Balanza de peso por ―grupo (piña) de ejes‖ (a.1) Balanza de peso por ―grupo (piña) de ejes‖

(Nicaragua)(Nicaragua)

(a)Pesaje mediante el empleo de balanzas con carga detenida(a.1) Balanza de peso por ―grupo (piña) de ejes‖ (Nicaragua)

(a)Pesaje mediante el empleo de balanzas con carga detenida(a.1) Balanza de peso por ―grupo (piña) de ejes‖ (Nicaragua)

(a)Pesaje mediante el empleo de balanzas con carga (a)Pesaje mediante el empleo de balanzas con carga detenidadetenida(a.1) Balanza de peso por ―grupo (piña) de ejes‖ (a.1) Balanza de peso por ―grupo (piña) de ejes‖ (Nicaragua)(Nicaragua)

Rendimiento: 350-450 camiones por díaRendimiento: 350-450 camiones por día

continuación . . .

 

Normalmente se pesan los ejes de un solo lado, y se Normalmente se pesan los ejes de un solo lado, y se considera queconsidera quela carga está balanceada.la carga está balanceada.

P3. ¿Para qué es necesario obtener yP3. ¿Para qué es necesario obtener yConocer el número y tipo de Conocer el número y tipo de vehículos y la magnitud y forma de vehículos y la magnitud y forma de transferencia de la carga hacia el transferencia de la carga hacia el pavimento?pavimento?

• • Determinación del efecto de las cargas transmitidas Determinación del efecto de las cargas transmitidas por los diferentes ejes sobre un pavimento flexiblepor los diferentes ejes sobre un pavimento flexibleUno de los factores de diseño que presenta mayor Uno de los factores de diseño que presenta mayor variabilidad es el correspondiente al efecto de las variabilidad es el correspondiente al efecto de las cargas que transmiten los vehículos.cargas que transmiten los vehículos.Cualquier observador, por más inexperto que sea en el Cualquier observador, por más inexperto que sea en el área de pavimentos, no puede dejar de notar que por área de pavimentos, no puede dejar de notar que por una sección dada de pavimento circulan diariamente un una sección dada de pavimento circulan diariamente un sinnúmero de tipos de vehículos, y un mayor número sinnúmero de tipos de vehículos, y un mayor número de tipos de carga: observará para un mismo tipo de de tipos de carga: observará para un mismo tipo de camión que algunos circularán vacíos, otros cargados camión que algunos circularán vacíos, otros cargados con cemento, otros con cerveza, otros con materiales con cemento, otros con cerveza, otros con materiales de construcción, etc.; además la condición de de construcción, etc.; además la condición de variabilidad descrita se repetirá para cada tipo de variabilidad descrita se repetirá para cada tipo de camión sobre la vía.camión sobre la vía.

Es necesario, en consecuencia, transformar toda esa Es necesario, en consecuencia, transformar toda esa gama de realidades de formas e intensidades de carga, en gama de realidades de formas e intensidades de carga, en un valor que los represente y que sea simplemente un valor que los represente y que sea simplemente obtenible y manejable. Por esta razón se definió un "Eje obtenible y manejable. Por esta razón se definió un "Eje Patrón" que representa la carga estándar, o normalizada.Patrón" que representa la carga estándar, o normalizada.En la gran mayoría de los países occidentales, este "eje En la gran mayoría de los países occidentales, este "eje patrón" contempla una carga por eje simple de cuatro patrón" contempla una carga por eje simple de cuatro ruedas de 8.200 kg (80 KN ó 18.000 libras)ruedas de 8.200 kg (80 KN ó 18.000 libras)Adicionalmente fue necesario asignar a este eje patrón un Adicionalmente fue necesario asignar a este eje patrón un valor del efecto que causaba al pasar sobre un valor del efecto que causaba al pasar sobre un pavimento, este efecto se conoce como "factor daño", y pavimento, este efecto se conoce como "factor daño", y para una carga patrón de 18 kips, sobre un eje simple de para una carga patrón de 18 kips, sobre un eje simple de cuatro ruedas (o ruedas morochas), se le asignó un valor cuatro ruedas (o ruedas morochas), se le asignó un valor unitario, es decir cada vez que un eje simple de 18.000 lbs unitario, es decir cada vez que un eje simple de 18.000 lbs pasa sobre una sección de un pavimento flexible, causa pasa sobre una sección de un pavimento flexible, causa sobre ese pavimento un daño igual a uno (1).sobre ese pavimento un daño igual a uno (1).

consecuencia de esta simplificación surge la consecuencia de esta simplificación surge la definición de los "Factores de equivalencia de definición de los "Factores de equivalencia de cargas", que "son valores numéricos que definen cargas", que "son valores numéricos que definen el daño que causa el paso de un vehículo, o eje el daño que causa el paso de un vehículo, o eje determinado, sobre una sección de pavimento en determinado, sobre una sección de pavimento en una manera relativa al daño que el vehículo, o eje una manera relativa al daño que el vehículo, o eje patrón, causa al pasar sobre la misma sección de patrón, causa al pasar sobre la misma sección de pavimento", o dicho de otra manera, los "Factores pavimento", o dicho de otra manera, los "Factores de Equivalencia" transforman las repeticiones de de Equivalencia" transforman las repeticiones de un eje cualquiera, a un número de repeticiones del un eje cualquiera, a un número de repeticiones del eje patrón que causan el mismo efecto daño sobre eje patrón que causan el mismo efecto daño sobre el pavimento que el daño causado por ese eje el pavimento que el daño causado por ese eje cualquiera.cualquiera.

Los "Factores de Equivalencia“ para los ejes Los "Factores de Equivalencia“ para los ejes simples y tandem (dobles y triples) son los simples y tandem (dobles y triples) son los derivados empíricamente en el Ensayo Vial derivados empíricamente en el Ensayo Vial AASHO en función no solo de la magnitud de la AASHO en función no solo de la magnitud de la carga y la configuración del eje que la transmite al carga y la configuración del eje que la transmite al pavimento, sino también del tipo de pavimento pavimento, sino también del tipo de pavimento (flexible o rígido),del espesor del pavimento y de (flexible o rígido),del espesor del pavimento y de la condición final de calidad de rodaje del la condición final de calidad de rodaje del pavimento para el momento final del periodo de pavimento para el momento final del periodo de diseño.diseño.

Eje Tándem máximoEje Tándem máximo

Eje simple máximoEje simple máximo