INTRODUCCION
LISTA DE SÍMBOLOS
C-2: Es un camión o autobús, consistente en un automotor con eje simple (eje direccional) y un eje de rueda doble (eje de tracción).
C-3: Es un camión o autobús, consistente en un automotor con eje simple (eje direccional) y un eje de rueda doble o tándem (eje de tracción). C-4: Es un camión o autobús, consistente en un automotor con eje simple (eje direccional) y un eje triple (eje de tracción).
GLOSARIO
Acoplamiento: Mecanismo de conexión que une el vehículo tractor con el vehículo remolcado.
Aforo: Procedimiento mediante el cual se establece la cantidad de vehículos que transitaron por un punto de la red vial determinado (Estación de Conteo), en un período de tiempo establecido.
Capacidad de un camino: Es el número máximo de vehículos que pueden circular por un tramo carretero durante un período de tiempo, generalmente, en una hora, bajo condiciones existentes del tramo y tomando en cuenta la velocidad del tránsito. La capacidad depende de la composición del tránsito, alineamiento vertical y horizontal, número y ancho.
ESAL: Equivalent simple axe load (eje simple equivalente de carga).
FEC: Factor equivalente de carga.
LEF: Load equivalent factor (factor equivalente de carga).
Pérdida de serviciabilidad (ΔPSI): Índice que establece el daño superficial esperado en un período de tiempo, que depende de la categoría de la carretera.
Peso bruto vehicular (PBV): Es la suma del peso del vehículo o combinación de vehículos y la carga que el mismo transporta, incluido el peso del conductor y cualesquiera otras personas transportadas al mismo tiempo.
Remolque: Es el vehículo que soporta la totalidad de su peso sobre sus propios ejes y que está destinado a ser halado por un vehículo automotor.
Tránsito promedio diario (T.P.D.): Se define el volumen de tránsito promedio diario, como el número total de vehículos que pasan durante un período dado (en días completos) igual o menor a un año y mayor que un día, dividido entre el número de días del período.
Tránsito promedio diario anual (T.P.D.A.): Es el volumen anual total del tránsito que circula por un tramo carretero, dividido entre el número de días que tiene el año.
Tránsito promedio diario mensual (T.P.D.M.): Es el volumen de tránsito total que circula por un tramo carretero determinado durante un mes, dividido entre el número de días de dicho mes.
Tránsito promedio diario semanal (T.P.D.S.): Es el volumen de tránsito total que circula por un tramo carretero determinado durante una semana, dividido entre siete.
Tránsito promedio en días laborales (T.P.D.L): Es el promedio diario de volúmenes de tránsito en un año, en este promedio puede incluirse dependiendo de la zona o lugar el día sábado, domingo y días festivos.
Vehículo automotor : Significa todo el vehículo provisto de un dispositivo mecánico de autopropulsión, utilizado normalmente para el transporte de personas o mercancías, por carretera y que no marche sobre rieles o conectado a un conductor eléctrico.
Volumen de tránsito: Se define como volumen de tránsito el número de vehículos que pasan por un punto o sección transversal dados, de un carril o de una calzada, durante un período determinado.
1 OBJETIVOS: Objetivos Generales:
Tener conocimientos para poder diseñar un pavimento según el método de AASHTO Determinar el Valor N del Factor de Carga, para el diseño de pavimentos según el método de AASHTO Caracterizar distintas distribuciones de carga para los vehículos pesados.
Objetivos Específicos:
Determinar el Factor de Camión (FC). Determinar cómo influye la pérdida de serviciabilidad ( ∆PSI) en el factor equivalente de carga y en el factor camión. Calcular FC en base a matriz de escenarios y bajo un enfoque mecanicistaempírico. Comparar los FC obtenidos con los calculados mediante método empírico y con los propuestos por el Manual de Carreteras.
2 FACTOR CAMION (FC) Para la estimación de los ejes simples equivalentes (ESAL), se debe tener en cuenta el concepto de factor camión. Se entiende por factor camión al número de aplicaciones de ejes estándar de 80 kN, correspondiente al paso de un vehículo. El factor camión se puede obtener por pesaje. El peso es un método costoso para proyectos pequeños; por lo tanto, cuando
se deba efectuar el diseño para un tramo de vía en la cual no se tengan datos sobre el pesaje quedan dos alternativas: Asumir el F.C. conocido de una vía cuyas características sean similares.
Estimar el F.C. por algún método empírico.
El factor camión es una manera de expresar los niveles equivalentes de daño entre ejes, pero para el cálculo de ESAL es conveniente expresar el daño en términos del deterioro producido por un vehículo en particular, es decir los daños producidos por cada eje de un vehículo son sumados para dar el daño producido por ese vehículo. Así nace el concepto de factor camión que es definido como el número de ESAL por vehículo. El factor camión, puede ser computado para cada clasificación general de camiones o para todos los vehículos comerciales como un promedio para una configuración dada de tránsito, pero es más exacto considerar factores camión para cada clasificación general de camiones. Es el parámetro empírico que permite convertir el tránsito real en aplicaciones equivalentes del eje de referencia para diseño de pavimentos A continuación, se presentan la tabla presentada por el instituto de asfalto (Asphalt Institute 2000), para obtener el factor camión.
3 Método AASHTO En el método AASHTO los pavimentos se proyectan para que éstos resistan determinado número de cargas durante su vida útil. El tránsito está compuesto por vehículos de diferente peso y número de ejes que producen diferentes tensiones y deformaciones en el pavimento, lo cual origina distintas fallas en éste. Para tener en cuenta esta diferencia, el tránsito se transforma a un número de cargas por eje simple equivalente de 18 kips (80 kN) ó ESAL (Equivalent Single Axle Load), de tal manera que el efecto dañino de cualquier eje pueda ser representado por un número de cargas por eje simple. Con el objeto de evaluar el efecto dañino, en un pavimento flexible, de las cargas diferentes a un eje estándar, se han considerado f actores de equivalencia de carga por eje, FEC. Estos valores se obtuvieron a partir de los resultados experimentales de la AASHO Road Test. Los resultados obtenidos han permitido determinar que la equivalencia entre cargas diferentes transmitidas al pavimento por el mismo sistema de ruedas y ejes En la tabla se muestran los factores de equivalencia de carga publicada en la Guía AASHTO 1993.
A. FACTORES QUE AFECTAN EN LA DETERMINACION DEL FACTOR CAMION 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
4 DISEÑO Y APLICACIÓN DEL PAVIMENTO RÍGIDO Un pavimento de concreto o pavimento rígido consiste básicamente en una losa de concreto simple o armado, apoyada directamente sobre una base o subbase. La losa, debido a su rigidez y alto módulo de elasticidad, absorbe gran parte de los esfuerzos que se ejercen sobre el pavimento lo que produce una buena distribución de las cargas de rueda, dando como resultado tensiones muy bajas en la subrasante. Todo lo contrario sucede en los pavimentos flexibles, que al tener menor rigidez, transmiten los esfuerzos hacia las capas inferiores lo cual trae como consecuencias mayores tensiones en la subrasante. En la imagen se puede apreciar una mayor deflexión en el pavimento flexible (izquierda), mientras en el rígido (derecha), los esfuerzos son menores y uniformes. La estructura del pavimento está configurada de la siguiente manera:
Los elementos que conforman un pavimento rígido son: subrasante, subbase y la losa de concreto. A continuación se hará una breve descripción de cada uno de los elementos que conforman el pavimento rígido. a) Subrasante La subrasante es el soporte natural, preparado y compactado, en la cual se puede construir un pavimento. La función de la subrasante es dar un apoyo razonablemente uniforme, sin cambios bruscos en el valor soporte, es decir, mucho más importante es que la subrasante brinde un apoyo estable a que tenga una alta capacidad de soporte. Por lo tanto, se debe tener mucho cuidado con la expansión de suelos.
b) Subbase La capa de subbase es la porción de la estructura del pavimento rígido, que se encuentra entre la subrasante y la losa rígida. Consiste de una o más capas compactas de material granular o estabilizado; la función principal de la subbase es prevenir el bombeo de los suelos de granos finos. La subbase es obligatoria cuando la combinación de suelos, agua, y tráfico pueden generar el bombeo. Tales condiciones se presentan con frecuencia en el diseño de pavimentos para vías principales y de tránsito pesado. Entre otras funciones que debe cumplir son: Proporcionar uniformidad, estabilidad y soporte uniforme. Incrementar el módulo (K) de reacción de la subrasante. Minimizar los efectos dañinos de la acción de las heladas. Proveer drenaje cuando sea necesario. Proporcionar una plataforma de trabajo para los equipos de construcción. c) Losa La losa es de concreto de cemento portland. El factor mínimo de cemento debe determinarse en base a ensayos de laboratorio y por experiencia previas de resistencia y durabilidad. Se deberá usar concreto con aire incorporado donde sea necesario proporcionar resistencia al deterioro superficial debido al hielo-deshielo, a las sales o para mejorar la trabajabilidad de la mezcla.
4.1 TIPOS DE PAVIMENTO DE CONCRETO Los diversos tipos de pavimentos de concreto pueden ser clasificados, en orden de menor a mayor costo inicial, de la siguiente manera: 1. Pavimentos de concreto simple. - Sin pasadores. - Con pasadores. 2. Pavimentos de concreto reforzado con juntas 3. Pavimentos de concreto con refuerzo continuo.
4.2 Pavimentos de concreto simple a) Sin pasadores Son pavimentos que no presentan refuerzo de acero ni elementos para transferencia de cargas, ésta se logra a través de la trabazón (interlock) de los agregados entre las caras agrietadas debajo de las juntas aserradas o formadas. Para que esta transferencia sea efectiva, es necesario que se use un espaciamiento corto entre juntas.
Están constituidos por losas de dimensiones relativamente pequeñas, en general menores de 6 m de largo y 3.5 m de ancho. Los espesores varían de acuerdo al uso previsto. Por ejemplo para calles de urbanizaciones residenciales, éstos varían entre 10 y 15 cm, en las denominadas colectoras entre 15 y 17 cm. En carreteras se obtienen espesores de 16 cm. En aeropistas y autopistas 20 cm o más. Este tipo de pavimento es aplicable en caso de tráfico ligero y clima templado y generalmente se apoyan directamente sobre la subrasante.
Figura 1.2 Pavimento de concreto simple sin pasadores
b) Con pasadores Los pasadores (dowels) son pequeñas barras de acero liso, que se colocan en la sección transversal del pavimento, en las juntas de contracción. Su función estructural es transmitir las cargas de una losa a la losa contigua, mejorando así las condiciones de deformación en las juntas. De esta manera, se evitan los dislocamientos verticales diferenciales (escalonamientos). Según la Asociación de Cemento Portland (PCA, por sus siglas en ingles), este tipo de pavimento es recomendable para tráfico diario que exceda los 500 ESALs (ejes simples equivalentes), con espesores de 15 cm o más.
Figura 1.3 Pavimento de concreto simple con pasadores*
c) Pavimentos de concreto reforzado con juntas Los pavimentos reforzados con juntas contienen además del refuerzo, pasadores para la transferencia de carga en las juntas de contracción. Este refuerzo puede ser en forma de mallas de barras de acero o acero electrosoldado. El objetivo de la armadura es mantener las grietas que pueden llegar a formarse bien unidas, con el fin de permitir una buena transferencia de cargas y de esta manera conseguir que el pavimento se comporte como una unidad estructural.
Figura 1.4 Pavimento de concreto reforzado
d) Pavimentos de concreto con refuerzo continuo A diferencia de los pavimentos de concreto reforzado con juntas, éstos se construyen sin juntas de contracción, debido a que el refuerzo asume todas las deformaciones, específicamente las de temperatura. El refuerzo principal es el acero longitudinal, el cual se coloca a lo largo de toda la longitud del pavimento. El refuerzo transversal puede no ser requerido para este tipo de pavimentos.
Figura 1.5 Pavimento con refuerzo continuo
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DISEÑO Y APLICACIÓN PAVIMENTOS RIGIDOS El método se basa en los resultados experimentales obtenidos vía tramos de prueba en Ottawa, III., y realizados por AASHTO. La dependencia de ese entonces fue la Highway Research Board, National Academy of Sciences, National Research Council, Washington 25, D.C. El procedimiento de diseño normal es suponer un espesor de pavimento e iniciar a realizar tanteos, con el espesor supuesto calcular los ejes equivalentes y posteriormente evaluar todos los factores adicionales de diseño, si se cumple en equilibrio en la ecuación el espesor supuesto es resultado del problema, de lo contrario de debe de seguir haciendo tanteos. El diseño del pavimento rígido involucra el análisis de diversos factores:
Serviciabilidad Inicial (po). Serviciabilidad final (pt). Período de diseño Tránsito en ejes equivalentes (W18) Factor de transferencia de carga (J) Módulo de rotura del Hormigón (MR) Módulo de elasticidad del Hormigón ( Ec) Módulo de reacción de la subrasante (k, LOS)
Coeficiente de drenaje (Cd) Confiabilidad (R, ZR). Desvío Global (so).
La ecuación fundamental AASHTO para el diseño de pavimentos rígidos es:
Dónde: W18 = Número de cargas de 18 kips (80 kN) previstas. ZR = Es el valor de Z (área bajo la curva de distribución) correspondiente a la curva estandarizada, para una confiabilidad R. S0 = Desvío estándar de todas las variables. D = Espesor de la losa del pavimento en pulg. ΔPSI = Pérdida de serviciabilidad prevista en el diseño. Pt = Serviciabilidad final. S´c = Módulo de rotura del concreto en psi. J = Coeficiente de transferencia de carga. Cd = Coeficiente de drenaje. EC = Módulo de elasticidad del concreto, en psi. K = Módulo de reacción de la subrasante (coeficiente de balastro), en pci (psi/pulg).
5.1 LAS VARIABLES DE DISEÑO DE UN PAVIMENTO RÍGIDO
a) b) c) d) e) f) g) h)
Espesor. Serviciabilidad Tránsito Transferencia de carga Propiedades del concreto Resistencia a la subrasante Drenaje Confiabilidad
a) ESPESOR El espesor del pavimento de concreto es la variable que se pretende determinar al realizar un diseño, el resultado del espesor se ve afectado por todas las demás variables que interviene en los cálculos. b) SERVICIABILIDAD La serviciabilidad se define como la habilidad del pavimento de servir al tipo de tráfico (autos y camiones) que circulan en la vía, se mide en una escala del 0 al 5 en donde 0 (cero) significa una calificación para pavimento intransitable y 5 (cinco) para un pavimento excelente. La serviciabilidad es una medida subjetiva de la calificación del pavimento, sin embargo la tendencia es poder definirla con parámetros medibles.
El índice de serviciabilidad inicial (Po) es la condición que tiene un pavimento inmediatamente después de la construcción del mismo, para su elección es necesario considerar los métodos de construcción, ya que de esto depende la calidad del pavimento. Usando buenas técnicas de construcción, el pavimento de concreto puede tener una serviciabilidad Po = 4.7 ó 4.8. En el grafico se puede observar que mientras mejor se construya inicialmente un pavimento, o bien, mientras mejor índice de serviciabilidad inicial tenga mayor será su vida útil.
El índice de serviciabilidad final (Pt) tiene que ver con la calificación que esperamos tenga el pavimento al final de su vida útil, o bien, el valor más bajo que pueda ser admitido, antes de que sea necesario efectuar una rehabilitación, un refuerzo o la reconstrucción del pavimento. c) TRÁNSITO El tránsito es una de las variables más significativas del diseño del pavimento y sin embargo es una de las que más incertidumbre presenta al momento de estimarse. Es importante hacer notar que debemos contar con la información más precisa posible del tráfico para el diseño, ya que de no ser así podríamos tener diseños inseguros o con un grado importante de sobre diseño, debido a esto, en este trabajo se tratará de manera sencilla esta parte. La metodología AASHTO considera la vida útil de un pavimento relacionada al número de repeticiones de carga que podrá soportar el pavimento antes de llegar a las condiciones de servicio final predeterminadas para el camino. El método AASHTO utiliza en su formulación el número de repeticiones esperadas de carga de Ejes Equivalentes, es decir, que antes de entrar a las fórmulas de diseño, debemos transformar los Ejes de Pesos Normales de los vehículos que circulan por el camino, en Ejes Sencillos Equivalentes de 18 kips (8.2Ton) también conocidos como ESAL´s.
Lo conducente es realizar los cálculos para el carril de diseño, seleccionado para estos fines por ser el que mejor representa las condiciones críticas de servicio de la calle o camino. Existen algunos factores que nos ayudan a determinar con precisión el tráfico que circula en el carril de diseño, estos factores se muestran en la tabla siguiente:
La vida útil mínima con la que se debe diseñar un pavimento rígido es de 20 años, es común realizar diseños para 30, 40 ó más de 50 años. Otro factor que hay que tomar en cuenta es la tasa de crecimiento anual, que depende del desarrollo económico – social, de la capacidad de la vía, tipo de vehículo que pueden ser más de un tipo que de otro. Es conveniente prever este crecimiento del tráfico, tomando en consideración una tasa de crecimiento anual con la que se calcula un factor de crecimiento de tráfico. A continuación se presentan algunos valores típicos de tasas de crecimiento, sin embargo estos pueden variar según el caso.
El Factor de Crecimiento del Tráfico considera los años de vida útil más un número de años adicionales debidos al crecimiento propio de la vía.
Dónde: g = tasa de crecimiento n= años de vida útil
d) TRANSFERENCIA DE CARGA También se conoce como coeficiente de transmisión de carga (J) y es la capacidad que tiene una losa del pavimento de transmitir las fuerzas cortantes con sus losas adyacentes, con el objetivo de minimizar las deformaciones y los esfuerzos en la estructura del pavimento. La efectividad de la transferencia de carga entre las losas adyacentes depende de varios factores:
Cantidad de tráfico Utilización de pasajuntas Soporte lateral de las losas
La utilización de pasajuntas es la manera más conveniente de lograr la efectividad en la transferencia de cargas, por lo que se recomienda su utilización cuando:
El tráfico pesado sea mayor al 25% del tráfico total. El número de ejes equivalentes de diseño sea mayor de 5.0 millones de ESAL´s.
Esta transferencia de cargas se realiza a través de los extremos de las losas (juntas o grietas) y su valor depende del tipo de pavimento, del tipo de borde u hombro y de la colocación de los elementos de transmisión de carga. El coeficiente de transmisión de carga considera el esfuerzo de transferencia a través de la junta o grieta como se observa en las siguientes figuras.
Figura 1. Junta 0% efectiva. La carga la soporta una sola losa.
Figura 2. Junta 100% efectiva. La carga la soportan entre las dos losas.
Un pavimento de concreto puede considerarse lateralmente soportado cuando tenga algunas de las siguientes características en su sección:
Carril ancho ≥ 4.0�
Confinamiento con guarniciones o banqueta
Con acotamientos laterales
Figura 3. Pavimento lateralmente soportado.
Las pasajuntas son barras de acero redondo liso con un Fy = 4,200kg/cm2 , la cual no se debe adherir al concreto permitiendo el libre movimiento de las losas longitudinalmente e) PROPIEDADES DEL CONCRETO Son dos las propiedades del concreto que influyen en el diseño y en su comportamiento a lo largo de su vida útil.
Resistencia a la tensión por flexión o Módulo de Ruptura (MR) Módulo de elasticidad del concreto (Ec)
En la siguiente tabla se muestra el Módulo de Ruptura (MR) recomendado.
AASHTO permite utilizar la resistencia a la flexión promedio que se haya obtenido del resultado de ensayos a flexión de las mezclas diseñadas para cumplir la resistencia especificada del proyecto.
Los valores típicos utilizados para la desviación estándar son:
El módulo de elasticidad del concreto (Ec) está relacionado con su módulo de ruptura y se determina mediante la norma ASTM C469. En su defecto correlacionarlo con otras características del material como puede ser su resistencia a la compresión (f´c). Esto es:
f) LA RESISTENCIA A LA SUBRASANTE: Se obtiene mediante el módulo de reacción del suelo (K) por medio de la prueba de placa.
El módulo de reacción del suelo corresponde a la capacidad portante que tiene el terreno natural en donde se soportará el cuerpo del pavimento. Cuando se diseña un pavimento es probable que tenga diferentes valores de K a lo largo del tramo por diseñar, por lo que se recomienda utilizar el valor promedio de los módulos K para el diseño. g) DRENAJE En cualquier tipo de pavimento, el drenaje es un factor importante en el comportamiento de la estructura del pavimento a lo largo de su vida útil y por lo tanto en el diseño del mismo. Se puede evaluar mediante el coeficiente de drenaje (Cd) el cual depende de:
Calidad del drenaje.
Viene determinado por el tiempo que tarda el agua infiltrada en ser evacuada de la estructura del pavimento
Exposición a la saturación.
Porcentaje de tiempo durante el año en que un pavimento esta expuesto a niveles de humedad que se aproximan a la saturación. Este valor depende de la precipitación media anual y de las condiciones del drenaje. Para el caso se definen varias condiciones del drenaje:
Combinando todas las variables que interviene para llegar a determinar el coeficiente de drenaje Cd, se llega a los valores de la siguiente Tabla:
h) CONFIABILIDAD De todos los parámetros de diseño, quizá éste sea el que tiene mayor impacto en el dimensionamiento de los pavimentos flexibles y rígidos. La confiabilidad en este criterio de diseño se define como la probabilidad de que el sistema de pavimento se comporte de manera satisfactoria durante toda su vida de proyecto bajo las solicitaciones de carga e intemperismo. Otra manera de interpretar este concepto sería aquélla que la probabilidad de que los problemas de deformación y resistencia estén por abajo de los permisibles durante la vida de diseño del pavimento.
La diferencia entre ambos índices es: ΔPSI= Po – Pt, que se define como pérdida de la desviación estándar (So) relacionada con la confiabilidad (R) se muestra a continuación:
Para una mejor descripción de las variables, éstas se han clasificado de la siguiente manera: •
Variables de diseño. Esta categoría se refiere al grupo de criterios que debe ser considerado para el procedimiento de diseño.
•
Criterio de comportamiento. Representa el grupo de condiciones de fronteras especificado por el usuario, dentro del que un alternativa de diseño deberá comportarse.
•
Propiedades de los materiales para el diseño estructural. Esta categoría cubre todas las propiedades de los materiales del pavimento y del suelo de fundación, requeridas para el diseño estructural.
•
Características estructurales. Se refiere a ciertas características físicas de la estructura del pavimento, que tienen efecto sobre su comportamiento.
5.2 EJEMPLO USANDO EL MÉTODO AASTHO El desarrollo del problema se realizará a partir de los siguientes datos:
Para poder entrar al nomograma se tendrá que convertir a PCI (libra/pulgada3)
O bien:
Pavimento de concreto en masa con pasadores en las juntas y acotamientos de concreto .
Corresponde a un drenaje de calidad buena y un 1% de porcentaje de tiempo en el que la estructura está expuesta a niveles próximos a la saturación.
El número total de ejes equivalentes se obtiene a partir del resultado del aforo del tránsito. Aforo del tránsito
El volumen de tránsito real (TDPA) se convierte en tránsito equivalente de ejes sencillos de 8.2ton, mediante la aplicación de los coeficientes de daño por tránsito por vehículos típicos. Se considerará tránsito en ambas direcciones.
5.3 DETERMINACIÓN DEL TRÁNSITO EQUIVALENTE Para transformar el tránsito mezclado al correspondiente tránsito equivalente a ejes sencillos de 8.2ton, referido al carril de diseño y considerando que los vehículos transitan en ambas direcciones se explica a continuación: El coeficiente de distribución es del 30%. Cálculo de número de ejes equivalentes.
El coeficiente de distribución se obtiene según la siguiente tabla y de acuerdo al número de carriles que se esté diseñando. Coeficiente de distribución.
5.4 CÁLCULO DEL TRÁNSITO EQUIVALENTE ACUMULADO El tránsito acumulado de ejes equivalentes de 8.2ton durante un periodo de n años de servicio se calcula mediante el empleo de la siguiente ecuación: Σln = C´ × To Donde: ΣIn = tránsito acumulado durante n años de servicio y tasa de crecimiento r, en ejes equivalentes de 8.2ton. To = tránsito medio diario en el primer año de servicio para el carril de diseño, en ejes equivalentes de 8.2ton. C´= coeficiente de acumulación de tránsito para n años de servicio y una tasa de crecimiento anual r, que se puede obtener mediante la ecuación siguiente:
Considerando un periodo de diseño para 15 años y una tasa de crecimiento anual de 4% se determina el coeficiente de acumulación de tránsito:
Por lo tanto:
En la siguiente tabla se concentran los datos calculados de las diferentes variables para poder entrar al nomograma y obtener el espesor de la losa.
Debajo de cada escala del nomograma se indica el dato de cada variable.
El espesor del pavimento obtenido es de 10 pulgadas (25cm).
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PAVIMENTO FLEXIBLE: Llamado también pavimentos de asfalto, es un pavimento compuesto por una o varias capas de mezcla asfáltica en caliente (HMA), o por tratamientos superficiales; dependiendo del espesor de la capa de rodadura.
Se denominan flexibles debido a que la rigidez de las diferentes capas del pavimento no es significativamente diferente (menor a 20 veces), por ende, la estructura en su conjunto se deforma ante la aplicación de la carga. Se clasifican de acuerdo al tipo de superficie de rodadura que se aplique. A continuación, se presenta la clasificación de este tipo de pavimentos. Superficies de asfalto, tratamiento o capas no estructurales:
Tratamientos superficiales: Monocapas (TSM), bicapas (TSB), tricapas. Monocapa y Bicapa: Una técnica de mantenimiento efectiva y económica para prolongar la vida de servicio del pavimento. Resiste la abrasión del tráfico y provee impermeabilización para la estructura inferior. Los distintos tratamientos superficiales asfálticos comprenden en el caso de un tratamiento simple (Monocapa) la aplicación inicial de un revestimiento de liga y un revestimiento de agregado pétreo. Para tratamientos múltiples (Bicapa o tricapa) se repite la aplicación de un revestimiento de liga y un revestimiento de agregado pétreo, para cada una de las capas a ser aplicadas. Lechadas/morteros asfalticos o slurry seal.
Es un Sello de mezcla que está compuesta por: Árido fino bien graduado (TM 10 mm) o Emulsión asfáltica (Quiebre Lento, quiebre controlado) o Filler (Si se requiere) o Agua. o Si se requiere se puede usar aditivos. o o
Las Lechadas se aplican sobre superficies que aún conservan su valor estructural y portante.
Cape seal.
El Cape Seal es una técnica de pavimentación en base a emulsiones asfálticas, el cual está constituido por la aplicación, en primer lugar, de un tratamiento superficial simple (TSS) y posteriormente de una lechada asfáltica sobre el TSS terminado. La aplicación conjunta de estos dos tratamientos combina las principales características de ambos métodos; el TSS aporta principalmente con la impermeabilización y la resistencia al deslizamiento, mientras que la lechada aporta lisura, reduce ruidos y evita desprendimientos. Las especificaciones técnicas que deben cumplir cada uno de estos tratamientos y los procedimientos de trabajo correspondientes son los que se describen en la sección 2 para el caso del TSS y en la sección 3 para la lechada asfáltica.
Sellos de arena.
Este trabajo consiste en la aplicación de un material bituminoso sobre la superficie de un pavimento existente, seguida por la extensión y compactación de una capa de arena, de acuerdo con lo que establece esta especificación y los documentos del proyecto. La designación del sello arena-asfalto será con las letras SAA, indicativas de Sello Arena Asfalto, seguidas por un número 3 que identifica el tamaño máximo nominal del agregado pétreo, definido como el número entero, en milímetros, que más se acerca a la abertura del primer tamiz que retiene de forma acumulada más de diez por ciento (10 %), en masa, del agregado.
Superficie con agregados de gradación abierta. Imprimación reforzada. Micropavimentos.
Superficies asfálticas con capas estructurales:
Mezcla en frio. Mezcla asfáltica tibia (WMA) Mezcla asfáltica en caliente (HMA) Mezcla asfáltica pigmentada. Mezcla asfáltica porosa. Mezcla asfáltica en relieve. Mezcla asfáltica con asfalto modificado.
Se puede clasificar también este tipo de pavimentos de acuerdo a qué clase de base y subbase se colocara, así como también el espesor de la capa de rodadura. Existen
diversas alternativas para los materiales granulares, estabilizados con cemento, estabilizados con asfalto o estabilizados con productos químicos y sales. A continuación, se presentan los tipos de pavimentos flexibles clasificados en función de su estructuración:
Convencionales: Son carpetas de rodadura de mezcla asfáltica, base granular y subbase granular. Los pavimentos asfálticos convencionales son sistemas de capas con mejores materiales en la parte superior donde la intensidad de los esfuerzos son altos y materiales de calidad menor en la parte inferior, donde la intensidad de los esfuerzos es baja. La adhesión a este principio de diseño hace posible el uso de materiales locales y por lo general resulta en un diseño más económico. Esto es particularmente cierto en regiones donde los materiales de alta calidad son caros, pero materiales locales de inferior calidad están disponibles.
Estructura de pavimento asfáltico convencional, muestra que a partir de la parte superior, el pavimento está formado por una capa de concreto asfáltico (capa de rodadura), capa de imprimación, capa de base granular, sub-base granular, subrasante compactada y el subsuelo natural. Espesores usuales en las capas de un pavimento flexible convencional.
De profundidad parcial: Es una carpeta de rodadura, base estabilizada o granular y subbase granular o estabilizada. Son estructuras que comprenden una capa asfáltica superficial de gran espesor generalmente compuesta a su vez por dos capas asfálticas ligadas: una capa de rodadura de mezcla asfáltica de muy buena estabilidad (Marshall 9000 N) y otra capa asfáltica intermedia de estabilidad media (Marshall 6000 u 8000 N); La capa asfáltica es colocada sobre una base granular (no estabilizada).
Estructura de pavimento asfáltico a profundidad parcial
Profundidad tota (full depth): todas las capas hasta el nivel de subrasante están compuestas por materiales asfalticos. Son pavimentos asfálticos compuestos por una o varias capas asfálticas desde el nivel de rasante hasta el nivel de subrasante; por ejemplo: capa de rodadura, binder (mezcla asfáltica abierta) o base estabilizada con asfalto.
Estructura de pavimento asfáltico full depth
Sección de estructura de pavimento asfáltico FULL DEPTH, indicando rangos de espesores usuales
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DISEÑO Y APLICACIÓN PAVIMENTOS FLEXIBLES
ESTUDIOS GEOTECNICOS
Al evaluar un pavimento existente la exploración del suelo y los ensayos de laboratorio realizados a los distintos materiales utilizados en las capas del pavimento juegan un papel muy importante, debido a que éstos proporcionan información de gran valor a la hora de tomar decisiones con respecto al estado en que se encuentran los materiales de la estructura de pavimento. Para la obtención de la información geotécnica básica de las propiedades del suelo, deben efectuarse ensayos de campo y laboratorio que determinen su distribución y propiedades físicas. Una investigación de suelos debe comprender:
Determinación del perfil del suelo: La cual consiste en ejecutar perforaciones en el terreno, con el objeto de determinar la cantidad y extensión de los diferentes tipos del suelo, la forma como estos están dispuestos en capas y la determinación de aguas freáticas. Lógicamente, la ubicación, profundidad y número de perforaciones deben ser tales que permitan determinar toda variación importante de la calidad de los suelos. Toma de muestras de las diferentes capas de suelos: En cada perforación deberá tomarse muestras representativas de las diferentes capas encontradas. Las muestras pueden ser de dos tipos: Alteradas e inalteradas.
En vías se recomienda hacer sondeos con espaciamientos entre 350 y 600 m, teniendo en cuenta las semejanzas del material a partir de uno de los cortes presentes. En general, las muestras obtenidas sirven para determinar las propiedades y clasificación del material extraído valiéndose de los siguientes ensayos: Humedad natural Granulometría Limites de consistencia. Humedad Natural
CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA Tamaño de las partículas de suelos Los tamaños de las partículas que conforman un suelo, varían en un amplio rango. Los suelos, en general, son llamados grava, arena, limo o arcillas, dependiendo del tamaño predominante de las partículas. La tabla 1 muestra los límites de tamaño
Funciones de las capas de un pavimento flexible: Subbase granular
Capa de transición: la subbase bien diseñada impide la penetración de los materiales que constituyen la base con los de la subrasante y por otra parte, actúa
como filtro de la base impidiendo que los finos de la subrasante la contaminen menoscabando su calidad. Disminución de la deformación: algunos cambios volumétricos de la capa subrasante, generalmente asociados a cambios en su contenido de agua (expansiones), o a cambios externos de temperatura, pueden absorberse con la capa subbase, impidiendo que dichas deformaciones se reflejen en la superficie de rodamiento. Resistencia: la subbase debe soportar los esfuerzos transmitidos por las cargas de los vehículos a través de las capas superiores y transmitidas a un nivel adecuado de la subrasante.
Base granular
Resistencia: la función fundamental de la base granular de un pavimento consiste en proporcionar un elemento resistente que transmita a la subbase y a la subrasante los esfuerzos producidos por el transito en una intensidad apropiada.
Carpeta Asfáltica
Superficie de rodadura: la carpeta debe proporcionar una superficie uniforme y estable al tránsito, de textura y color conveniente y resistir los efectos abrasivos del tránsito. Resistencia: su resistencia a la tensión complementa la capacidad estructural del pavimento. Impermeabilidad: hasta donde sea posible, debe impedir el paso del agua al interior del pavimento.
Factores a considerar en el diseño de pavimentos
El transito: interesa para el dimensionamiento de los pavimentos las cargas más pesadas por ejes esperados en el carril de diseño solicitado, que determinara la estructura del pavimento de la carretera durante el periodo de diseño adoptado. La repetición de las cargas del tránsito y la consecuente acumulación de deformaciones sobre el pavimento son fundamentales para el cálculo. A demás, se deben tener en cuenta las máximas presiones de contacto, las solicitaciones tangenciales en tramos especiales, las velocidades de operación de los vehículos y la canalización del tránsito etc.
La subrasante: de la calidad de esta capa depende en gran parte el espesor que deber tener un pavimento, sea este flexible o rígido. Como parámetro de evaluación de esta
capa se emplea la capacidad de soporte o resistencia a la deformación por esfuerzo cortante bajo las cargas de transito. Es necesario tener en cuenta la sensibilidad del suelo a la humedad, tanto en lo que se refiere a la resistencia como a las eventuales variaciones de volumen de un suelo de subrasante de tipo expansivo pueden ocasionar graves daños en las estructuras que se apoyen sobre este, por esta razón cuando se construya un pavimento sobre este tipo de suelos deberá tomarse la precaución de impedir las variaciones de humedad del suelo para lo cual habrá que pensar en la impermeabilización de la estructura. Otra forma de enfrentar este tipo de suelo con algún aditivo, en nuestro medios los mejores resultados se han logrado mediante la estabilización de suelos con cal.
El clima: los factores que en nuestro medio más afectan a un pavimento son las lluvias y los cambios de temperatura. Las lluvias por su acción directa en la elevación del nivel freático influyen en la resistencia, la compresibilidad y los cambios volumétricos de los suelos de subrasante especialmente. Este parámetro también influye en algunas actividades de construcción de capas granulares y asfálticas. Los cambios de temperatura en las losas de pavimentos rígidos ocasionan en éstas esfuerzos muy elevados, que en algunos casos pueden ser superiores a los generados por las cargas de los vehículos que circulan sobre ellas.
DISEÑO MARSHALL
El concepto del método Marshall para diseño de mezclas de pavimentación fue formulado por Bruce Marshall, ingeniero de asfaltos del Departamento de Autopistas del estado de Mississippi. El cuerpo de ingenieros de Estados Unidos, a través de una extensiva investigación y estudios de correlación, mejoró y adicionó ciertos aspectos al procedimiento de prueba Marshall y desarrollo un criterio de diseño de mezclas. El método original de Marshall, sólo es aplicable a mezclas asfálticas en caliente para pavimentación que contengan agregados con un tamaño máximo de 25 mm (1 ”) o menor. El método modificado se desarrolló para tamaños máximo arriba de 38 mm (1.5 ”). Está pensado para diseño en laboratorio y control de campo de mezclas asfálticas en caliente con graduación densa. Debido a que la prueba de estabilidad es de naturaleza empírica, la importancia de los resultados en términos de estimar el comportamiento en campo se pierde cuando se realizan modificaciones a los procedimientos estándar. El método Marshall utiliza especímenes de prueba estándar de una altura de 64 mm (2 ½ ”) y 102 mm (4”) de diámetro. Se preparan mediante un procedimiento específico para calentar, mezclar y compactar mezclas de asfalto-agregado. (ASTM D1559). Los dos aspectos principales del método de diseño son, la densidad-análisis de vacíos y la prueba de estabilidad y flujo de los especímenes compactados. La estabilidad del espécimen de prueba es la máxima resistencia en N (lb) que un espécimen estándar desarrollará a 60ºC
cuando es ensayado. El valor de flujo es el movimiento total o deformación, en unidades de 0.25 mm (1/100 ”) que ocurre en el espécimen entre estar sin carga y el punto máximo de carga durante la prueba de estabilidad. LEYES DE FATIGA En el modelo tradicional de fatiga las fisuras se originan en la fibra inferior de la mezcla bituminosa (zona donde la tensión de tracción es mayor) y se propaga verticalmente hacia la superficie del pavimento. Daño por fatiga significa que un estado de tensión provocado por una solicitación, muy alejada del valor de rotura, llega a producir por acumulación (es decir, por repetición de la solicitación un número muy elevado de veces) el agotamiento del material, agotamiento que se manifiesta por la fisuración del mismo. Ensayos de laboratorio han verificado que la relación entre la deformación, ϵ1, (producida por la solicitación) y la duración o vida de la fatiga del material representada por el número N de veces que soporta la solicitación antes de romperse por fatiga METODO MTC:
7.1 CLASIFICACION DE VEHICULOS 1. Introducción Este capítulo proporciona criterios y métodos para determinar el tráfico que soportará una vía durante su período de vida y en el carril de diseño Es de primordial importancia conocer el tipo de vehículo, el número de veces que pasa y el peso por eje de ese tipo de vehículo. 2. Definiciones Se darán algunas definiciones y conceptos de ingeniería de tránsito:
Tipos de eje
Eje sencillo: Es un eje con una o dos ruedas sencillas en sus extremos.
Eje tandem: Son dos ejes sencillos con ruedas dobles en los extremos.
Eje tridem: Son tres ejes sencillos con ruedas dobles en los extremos.
ANEXO IV: PESOS Y MEDIDAS
3. PESOS Y MEDIDAS MÁXIMAS PERMITIDAS
(1) Conjunto de ejes con un eje direccional (2) Vehículos con facilidad de distribución de peso por ejes (3) Conjunto de ejes separados compuesto por dos ejes simples donde la distancia entre centros de ruedas es superior a 2,40 m (4) Eje direccional (5) Carga máxima para conjunto de ejes direccionales compuestos por dos ejes simples donde la distancia entre centros de ruedas es superior a 1,70 m
7.2 Ejemplo 1: Determinar el F.C. de un camión C2. Solución 1: El camión C2 tiene un eje delantero simple con rueda simple de 7 tn y un eje posterior simple con ruedas dobles de 11 tn. Para calcular el daño producido por cada eje, debemos convertir el peso en toneladas a kN ó lb. Aproximadamente 7 y 11 tn equivalen a 68 y 107 kN. Con estos valores se ingresa a la tabla 6.1 y se calculan los factores equivalentes de carga para cada eje. De la interpolación se obtuvo que los FEC son 0.53 y 3.03 respectivamente.
El factor equivalente de carga del camión C2 es 3.56 Ejemplo 2: Determinar el FC de un T3S2 Solución: De manera análoga al problema anterior se puede calcular que 18 tn equivalen aproximadamente a 176 kN. De la tabla 6.1 se tiene que el efecto dañino de este eje tandem es 2.00 (valor obtenido por interpolación). Con estos datos se tiene:
Ejemplo 3: Calcular el FC de un T2S3
Solución: Este trailer con semi remolque tiene 1 eje tridem en el eje posterior (en el semi remolque) y dos ejes simples en la parte del motor, el eje central tiene ruedas dobles y el delantero ruedas simples. Los pesos son los que se muestran en la figura.
25 tn equivalen aprox. a 244 kN, el FEC de este eje tridem es 1.77. El FEC del eje simple es 3.03 (problema 1). Con estos valores se obtiene FC=5.33.
7.3 CLASIFICACIÓN DE ESTACIONES DE CONTEO Y PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN DEL PESO Estación permanente: Se le llama Estación Permanente, a las que trabajan las 24 horas del día durante 7 días consecutivos pudiendo constatar la fluidez de vehículos, tanto diurno como nocturno, estos datos nos dan una mejor representatividad para la elaboración del Boletín de Tránsito y actualizar los mapas de flujo de tránsito en base a los datos obtenidos durante los siete días de conteo. Para este tipo de estación se ubican en puntos estratégicos (principales salidas de la capital hacia el interior del país y de los departamentos de mayor convergencia vial en las rutas de 1er. orden). Para realizar este conteo, se necesita de cuatro técnicos como mínimo los que se rotan en diferentes turnos de 3 ó 4 horas cada uno, tanto diurno como nocturno.
Estación tipo "A"
Se le llama Estación Tipo "A", porque se laboran cuatro días consecutivos en un período de 12 horas, trabajando dos días hábiles y dos días no hábiles, en un horario de 6:00 AM a 18:00 PM, con estas obtenemos una muestra del comportamiento vehicular ya que también nos ayudan en la elaboración del Boletín de Tránsito y la actualización de los mapas de flujo vehicular y otros documentos.
Estación Tipo "B"
Se le llama Estación Tipo "B", ya que el conteo se realiza dos días hábiles de doce horas continuas en horario de 6:00 AM a 18:00 PM (Diurno), al igual que las otras estaciones los datos aportados ayudan a la elaboración tanto de mapas como de documentos vehiculares (T.P.D.A.). Para este trabajo es necesario contar con 3 técnicos realizando turnos de 3 ó 4 horas cada uno durante todo el día.; principalmente este conteo se desarrolla en todo el territorio nacional para determinar el flujo permanente diurno.
Estación sumaria
Se le llama Estación Sumaria ya que el conteo se realiza durante un día hábil 12 horas continuas en horarios de 6:00 AM a 18:00 PM (Diurno), para este conteo se necesita de 3 técnicos realizando turnos de 3 ó 4 horas durante el día que dura el conteo,
Pesaje de vehículos
Con el objeto de obtener una muestra representativa de la carga por eje de acuerdo con los diferentes tipos de vehículos que estipula el Reglamento de Pesos y Dimensiones de Vehículos Automotores y sus Combinaciones de la Dirección General de Caminos, se pesarán vehículos de carga, durante cinco días, en diferentes horarios. Luego se clasifican los vehículos de mayor circulación en la Ruta en la que se realiza el aforo. El pesaje de los vehículos se realizará considerando el tipo de vehículo y para el efecto se pesará cada uno de los ejes que lo componen, con el objeto de conocer el comportamiento de las cargas por eje en los diferentes tipos de vehículos clasificados.
Básculas estacionarias
Son mecanismos que sirven para medir pesos, los cuales se colocan sobre un medio en el que puede tomarse o soportarse la carga y por medio de una combinación de palancas o dispositivos eléctricos (celdas de carga) son equilibrados con mecanismos especiales que indican el peso en forma directa..
Básculas fijas
Básculas móviles
7.4 CONTEO VEHICULAR
Con el objeto de obtener una muestra representativa del tráfico, en las estaciones donde se realizaran los aforos, se debe proceder a hacer conteos visuales por 24 horas durante 7 días, en cada una de las estaciones escogidas dentro de los tramos en los que se realizará el conteo vehicular. Para efectos de mayor representatividad, los conteos vehiculares deberán realizarse en días en que transita el mayor número de vehículos que utilicen el tramo en el que se realizará el aforo.
Volúmenes de tránsito
Para el diseño de estructuras de pavimento es necesario conocer el número de vehículos que pasan por un punto dado. Para el efecto se realizan las mediciones de volúmenes de tránsito, los cuales pueden variar desde los más amplios en un sistema de caminos, hasta el recuento en lugares específicos tales como: puentes, túneles o intersecciones de carreteras. Estos aforos se realizan con el objeto de:
Determinar la composición y volumen de tránsito en un sistema de carreteras.
Determinar el número de vehículos que transitan en cierta zona o que circulan dentro de ella..
Servir de base para la clasificación de caminos.
Elaborar sistemas de mantenimiento.
Establecer prioridades y técnicas de construcción.
Determinar el tránsito futuro, etc.
En todo estudio de volúmenes de tránsito es necesario obtener dos datos básicos: el tránsito medio diario general y el tránsito medio diario de camiones. Estos se pueden obtener al efectuar censos o aforos de tránsito en el lugar de la construcción o si es nueva, mediante censos o aforos de tránsito en lugares próximos. Existen mapas de volumen de tránsito que muestran en determinados lugares el número de vehículos diarios, pero es más exacto el efectuar el aforo o censo en un lugar específico. Dentro de estas consideraciones también es necesario conocer las tasas de crecimiento anual del tránsito, la distribución por dirección en cada sentido del camino y si fuera en carreteras con más de dos vías, la distribución vehicular en cada una de ellas. Metodología de conteo Nuestro país depende en un 90% de su sistema de transporte por carreteras para la movilización de bienes, servicios y personas, por lo que se han tenido que mejorar los diseños geométricos de las carreteras. Los diseños dependen, directamente del tránsito promedio diario anual y según los valores determinados así será el tipo de carretera que se construya, es proyectar el tránsito debido a que las carreteras se diseñan en base al factor de tránsito actual y futuro a un período determinado de 10,
15, 20 años etc. Si la proyección se calcula mal ocurren dos situaciones: una sobre diseño de la carretera provocando gastos innecesarios en la construcción; otra que se sub-diseñen las carreteras provocando que la condición de las mismas vayan deteriorándose más rápidamente. Clasificación de vehículos Vehículo Autos
Camionetas
Micros
Ómnibus
Camiones
Articulados entre otr os…
7.5 VARIABLES DE DISEÑO a) ESTIMACION DE TRÁFICO En los casos en que no se tenga información sobre volúmenes y cargas del tráfico de la vía es necesario adelantar al menos un conteo manual clasificado, con la finalidad de recabar información básica que permita estimar esta variable con aceptable confiabilidad. Para la determinación de los EE esperados en el periodo de diseño deben emplearse las siguientes ecuaciones: Para la determinación de EEo, o sea el número de EE en el canal crítico o de diseño durante el primer año en servicio del pavimento: EEo = PDT x %cam x FC x 360
Dónde:
EEo= Ejes equivalente en el año inicial
PDT = promedio diario de tráfico en un sentido (canal de diseño)
cam: porcentaje de vehículos pesados / 100 FC: Factor Camión (promedio de EE por camión)
Existen diferentes modelos para estimar el PDT, que consisten en dividir un conteo parcial por un factor específico para estimar el PDT de la vía. Por lo general, se apoyan en hora pico, o conteos de 8 o 12 hrs, siendo estos últimos más confiables y recomendables. La siguiente tabla muestra los factores a emplear en cada caso: En estos casos se recoge la data en forma manual durante el periodo seleccionado. Esta información debe además clasificar los vehículos por tipo, especialmente los de carga y colectivos, con la finalidad de obtener el % de camiones (%cam). La siguiente figura muestra la clasificación de vehículos según la normativa venezolana. Adicionalmente, esta información puede servir para determinar el
Factor Camión (FC) de la vía, como se indica más adelante. Es importante resaltar que la información de tráfico para el diseño corresponde a los EE esperados en el canal crítico o de diseño, por lo que los conteos deben hacerse por sentido y determinar –de acuerdo con los resultados- cual sentido o canal debe usarse en el diseño. Igualmente, los conteos deben hacerse en días de tráfico típicos, que representen los valores promedio, y no en días de tráfico excepcional.
Un modelo desarrollado por el BM indica que el PDT promedio anual de una vía puede estimarse promediando el PDT de dos días hábiles y un día sábado. Así, mediante conteos en 3 días se logra –en forma sencilla- confiable información de tráfico para este tipo de vías. a) FACTOR CAMIÓN, FC El LEF da una manera de expresar los niveles equivalentes de daño entre ejes, pero también es conveniente expresar el daño en términos del deterioro producido por un vehículo en particular, es decir los daños producidos por cada eje de un vehículo son sumados para determinar el daño producido por el vehículo total. Así nace el concepto de
Factor de Camión
(FC) que se define como el número de
ESALs por vehículo. Este factor de camión puede ser computado para cada clasificación general de camiones o para todos los vehículos comerciales como un promedio para una configuración de tránsito dada. Es más exacto considerar factores de camión para cada clasificación general de camiones. Se entiende por factor camión al número de aplicaciones de ejes estándar de 80 kN, correspondiente al paso de un vehículo. El factor camión se puede obtener por pesaje. El peso es un método costoso para proyectos pequeños; por lo tanto, cuando se deba efectuar el diseño para un tramo de vía en la cual no se tengan datos sobre el pesaje quedan dos alternativas: b) ESTIMACIÓN DEL ESAL El tránsito proveniente del conteo vehicular debe ser dividido para el carril de diseño. El volumen de tránsito del carril de diseño, se convierte a un determinado número de ESAL, que es el parámetro usado en el diseño de la estructura del
pavimento. El ESAL es un eje estándar compuesto por un eje sencillo con dos ruedas en los extremos. El ESAL pesa 18,000 lb ó 8.2 tn ó 80 kN, y se considera que ejerce un efecto dañino sobre el pavimento como 1.
c) FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA Con el objeto de evaluar el efecto dañino, en un pavimento flexible, de las cargas diferentes a un eje estándar, se han considerado factores de equivalencia de carga por eje, FEC. Estos valores se obtuvieron a partir de los resultados experimentales de la AASHO Road Test. Los resultados obtenidos han permitido determinar que la equivalencia entre cargas diferentes transmitidas al pavimento por el mismo sistema de ruedas y ejes, se expresa El FC corresponde al promedio ponderado de EE por cada camión que circule por una determinada vía; es particular para cada una o zona y depende del tipo de camiones, su ocupación, tipo, actividad comercial y magnitud de cargas
De acuerdo a información recabada y procesada por el Prof. Gustavo Corredor M., correspondiente a los años 2002 a 2008, el FC promedio a nivel nacional es
2.111 EE/camión. Adicionalmente los FC promedio de los distintos tipos de vehículos de carga y colectivos se muestran en la siguiente tabla.
Para determinar el FC de una determinada vía se procede de la siguiente forma: Conocida la distribución, en % por tipo de vehículo de carga y colectivos, se usa la siguiente ecuación: FC = Σ %vehi x FCi / 100 Donde:
FC = Factor Camión de la vía
%vehi = % de vehículos tipo “i” (La suma de % debe totalizar 100) FCi = FC del vehículo tipo “i” (FC obtenido de la tabla para cada tipo de vehículo) Una vez estimado el valor de EEo, el número repeticiones de EE (REE), en el periodo de diseño, se determina mediante la ecuación
REE = EEo x Fcr Donde: REE = Repeticiones de carga esperados en el periodo EEo= Ejes equivalente en el año inicial Fcr: Factor de crecimiento o de acumulación de tráfico en función de periodo de diseño (n) en años y tasa de crecimiento (r); este factor se obtiene de la Tabla 5.
FACTORES QUE AFECTAN LA CONDICIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO Efecto de la sobrecarga en los pavimentos La aplicación de las sobrecargas en los pavimentos son las principales causas del deterioro en las carreteras, a lo cual se le agrega el efecto del clima, lo que lleva a la consiguiente pérdida de capacidad de respuesta del pavimento Uno de los mayores problemas que se encuentran en las predicciones teóricas sobre el efecto destructivo de las cargas de tránsito, es el de decidir cual es el criterio determinante a utilizar, tensión, deformaciones o serviciabilidad. Aun definido este problema la dificultad persiste debido a la multiplicidad de factores que intervienen, esto
es, tipo de apoyo, intensidad y frecuencia de las cargas, etc. En general las repeticiones de cargas no son relevantes y si su intensidad no sobrepasa el valor de diseño estimado. Son determinantes en el diseño los vehículos comerciales, camiones y buses. Tipos de ejes de vehículos comerciales más comunes
Eje Simple
Eje simple doble
Eje tándem
Eje tridem
Además al tipo de eje, importa el espaciamiento entre ruedas y la presión de inflado de los neumáticos. Cabe destacar que para un nivel de carga dado, a mayor cantidad de ruedas por eje, mejor será la distribución de esfuerzos y menores los daños sobre la estructura del pavimento contribuyendo a una mejor y más prolongada vida de la carretera. Entonces al tener una cantidad de repeticiones de carga mayores a la capacidad de respuesta definida en el diseño del pavimento, se esta reduciendo drásticamente la vida útil de este. Sobrecargas aplicadas al pavimento Las carreteras en nuestro medio, en su mayoría están constituidas por una pavimentación flexible, este tipo de pavimento son estructuras que admiten excesos de carga, siempre y cuando sucedan ocasionalmente, ya que se diseña para una relación carga de ejeintensidad de tránsito, siendo los factores que mas influyen en su destrucción, así también las condiciones climatológicas y el paso frecuente de los vehículos sobrecargados o con desbalances de carga, son las que aceleran el deterioro de las mismas.
Según estudios realizados, el daño estructural producido por las cargas aumenta rápidamente al aumentar la carga por eje, contemplando el coeficiente de equivalencias de cargas en ejes sencillos y ejes tándem, con igualdad de pesos; se concluyó en dichos experimentos que un eje sencillo causa el mismo deterioro que 12 tándem que pesan lo mismo que el. La estructura del pavimento se refiere a la capacidad de soporte en las carreteras para el paso de las cargas. Los elementos más importantes para la modulación de la estructura del pavimento son: volumen de tránsito, tipo de vehículos, crecimiento por tipo de vehículos, vida útil esperada, espesores de las diferentes capas de la estructura del pavimento y sus materiales. La vida útil de los pavimentos está relacionada con el número de ejes equivalentes que transitarán sobre él. Para cada tipo de vehículo en ejes equivalentes existe un factor y éste es el que se denomina factor de carga equivalente, mediante este procedimiento, es posible convertir todos los ejes que transitan sobre una determinada vía en ejes equivalentes; aplicando a cada tipo de vehículo el factor correspondiente y luego encontrar un factor único, típico de ese tránsito, que convierte directamente el tránsito promedio diario anual (TPDA) Efectos de la carga por eje La profundidad a la cual los esfuerzos resultantes, dados por ruedas duales, son iguales a los de una rueda sencilla depende de la separación entre las mencionadas ruedas. a profundidades mayores los refuerzos provocados por ellos se traslapan, pero ellos son menores a medida que la profundidad crece, llegándose a un punto en que dichos esfuerzos son despreciables.
Por medio de análisis teóricos y por medidas directas de los esfuerzos en pavimentos, se ha establecido la relación que hay entre la profundidad y la separación de las ruedas duales, teniéndose que a la profundidad, aproximada, de
d/2
las ruedas dejan de actuar independientemente y los esfuerzos bajo el
pavimento comienzan ahí a combinar sus efectos debido a las dos ruedas, haciéndose despreciable este efecto a la profundidad de 2S. EJEMPLOS Ejemplo 1: Calcular el factor de equivalencia de carga, FEC, de un eje simple de 124.5 kN. Solución: Según la tabla 6.1 el eje simple de 124.5 kN ejerce un efecto dañino de 5.39. Esto significa que el paso de 1 eje de 124.5 kN provocan un daño igual al paso de 5.39 ejes estándar de 80 kN. Ejemplo 2: Calcular el FC de un T2S3 Solución: Este trailer con semi remolque tiene 1 eje tridem en el eje posterior (en el semi remolque) y dos ejes simples en la parte del motor, el eje central tiene ruedas dobles y el delantero ruedas simples. Los pesos son los que se muestran en la figura.
25 tn
11 tn
1.77
7 tn
+ 3.03 + 0.53 = 5.33
25 tn equivalen aprox. a 244 kN, el FEC de este eje tridem es 1.77. El FEC del eje simple es 3.03. Con estos valores se obtiene FC=5.33. VENTAJAS DE LOS PAVIMENTOS DE CONCRETO
En la construcción de pavimentos de calles y carreteras existen ciertas ventajas que poseen los pavimentos rígidos construidos en concreto contra los pavimentos flexibles construidos en asfalto. Las principales son las siguientes: Costos Totales Inferiores: Para un mismo período de diseño, cuando se suman todos los costos, generalmente el pavimento rígido resulta más barato. Esto se debe principalmente a los costos de mantenimiento que para el caso de pavimento de concreto son mucho menores y casi nulos (en ocasiones sólo se requiere subsanar detalles de sellado de juntas a intervalos de 5 a 10 años). Por otra parte, el pavimento de concreto tiene una vida útil más larga que el pavimento asfáltico. Costo de Operación de la Carretera: Los pavimentos de concreto al tener una superficie plana alargan la vida de los vehículos evitando que se dañen y minimizando su mantenimiento. El costo de consumo de combustible se reduce hasta en un 20% para camiones tipo tráiler. Costo Social de Mantenimiento: En el recapado de los pavimentos asfalto, se ejecutan desvíos y habilitan rutas alternativas, aspectos que perjudican a vecinos y usuarios. En las construcciones con concreto se minimizan éstos aspectos. Facilidad de Construcción: Se ha llegado a abaratar los costos a la construcción de pavimentos de concreto, con plantas de hormigón premezclado de alto rendimiento y maquinaria altamente especializada. En calles se usan encofrados encofrados fijos, y en carreteras maquinaria con encofrados deslizantes. Durabilidad: Las superficies de concreto duran más. Estadísticamente se ha demostrado que las carreteras de concreto han soportado hasta tres veces su capacidad de carga de diseño y en pavimentos de aeropuertos, el doble. El concreto gana resistencia con el tiempo, el asfalto no. Resistencia: El concreto resiste sin sufrir deterioros los derrames de gasolina y diesel, así mismo, los efectos de la intemperie. Los pavimentos de concreto resisten mejor las cargas transmitidas por los vehículos pesados. Por otra parte, al paso del tiempo, el concreto gana resistencia y el asfalto, al perder algunas emulsiones de petróleo, cambia su color de negro a gris y se vuelve frágil. Resistencia a altas temperaturas: El concreto hidráulico no es afectado por el calor, no se vuelve pegajoso, ni se volatilizan algunos de sus ingredientes (no es contaminante). En zonas calurosas, (especialmente en áreas urbanas) se mantiene fresco, reduciendo la temperatura del entorno, Indeformabilidad: En las zonas de frenado y arranque de vehículos pesados, el concreto no se deforma.
Drenaje: Al no deforma Drenaje: Al deformarse rse ni encharcar encharcarse se las superficies de concreto proporcion proporcionan an un buen drenaje superficial para el agua de lluvia. Seguridad: El fenómeno del acuaplaneo de vehículos (deslizamiento en superficies mojadas), tiene menores posibilidades de que se produzca en superficies de concreto. Estética y seguridad peatonal: Para dirigir el tráfico peatonal y vehicular por rutas más seguras, el estampado en el concreto permite marcas duraderas. Economía en capa base: No se requieren trabajos de excavación y construcción de capas base y sub-base para construir las losas de concreto, generalmente para apoyar la superficie de concreto se puede utilizar la superficie existente debidamente conformada o una capa base con material drenante. El pavimento flexible debe construirse en capas y cada capa (carpeta, base y sub-base), a su vez debe construirse también en capas debido a restricciones de espesores para lograr las compactaciones especificadas. Economía en Iluminación: La superficie de concreto es tres veces más reflejante que la de asfalto. Se ahorra energía energía y se brinda mayor seguridad durante la noche, debido a que los faros de los vehículos, iluminan perfectamente al concreto. Rapidez de puesta en obra: Con el concreto se pueden alcanzar altas resistencias en cuestión de horas. La resistencia del concreto se puede predecir y controlar con mayor facilidad. Limpieza: La superficie de concreto es muy plana y fácil de limpiar. Ahorro de energía: No se requiere calentar ninguno de los ingredientes para elaborar el concreto (se ahorra energía), En la elaboración del concreto asfáltico los agregados y el asfalto deben calentarse a temperaturas elevadas. Aún después de elaborado, se deben mantener temperaturas mas o menos elevadas dependiendo del tiempo de transporte y colocación, e incluso una temperatura mínima a la cual se debe compactar. Contaminación: La mezcla asfáltica siempre contamina al ser colocada, no importando si se trata de mezclas en caliente o en frío e independientemente de una carpeta o de un bacheo rutinario. El concreto no contamina durante su colocación. Facilidad de reparaciones: En el concreto, bajo cualquier condición climática, se pueden emplear una gran cantidad de aditivos que permiten efectuar todo tipo de trabajo o reparaciones con gran rapidez y eficienci eficiencia. a. El asfalto, no se puede reparar abajo de de ciertas temperaturas mínimas. Textura: La superficie del pavimento de concreto se puede hacer tan segura (antiderrapante) como se quiera, gracias a las diversas técnicas disponibles para darle
textura, ya sea durante la construcción o una vez que el pavimento ha estado en servicio y requiera de una mayor resistencia al deslizamiento. Señalización: Todo tipo de marcas, pinturas y señalamientos duran más cuando se colocan sobre hormigón. Aeropuertos: No existe sustituto a los pavimentos de concreto para aeropuertos, debido a: Superior capacidad de carga. Resistencia de reserva para sobrecargas no previstas Resistencia a la deformación. No se pierden partículas que podrían ser dañinos para turbinas y partes de los aviones. Excelente visibilidad para aterrizajes. Textura superficial permanente para prevenir “acuaplaneo” y resbalamientos. Menor acumulación de calor sobre la superficie del pavimento. No se requieren recapamientos periódicos ni cerrar aeropuertos para reparaciones. Construcción rápida y económica. Planificación de larga vida (El Aeropuerto de Denver se diseñó para un período de vida de 40 años). La posibilidad de ejecutar recapamientos sobre pavimentos de asfalto en aeropuertos se viene utilizando desde hace 60 años con excelentes resultados, (el aeropuerto de Storm Lake (Iowa, EEUU) fue recapado con hormigón en 1971, el único mantenimiento requerido fue un resellado de juntas en 1991, continúa en operación a la fecha sin problemas. Pavimentos de concreto de endurecimiento rápido pueden ser construidos y abiertos al tráfico en 12 horas. Tecnología: Existen equipos de pavimentación con concreto muy diversos, de manera que se puede llegar a emplear muy poca mano de obra, aspecto que acelera los tiempos de obra. El pavimento de concreto puede construirse en una sola pasada, ya que no es una estructura multicapa. Investigación y Desarrollo La investigación de temas referidos a la tecnología del concreto constantemente obtiene nuevos resultados. El desarrollo de sobrecapas ultradelgadas de concreto de alta resistencia, reforzado con fibras sintéticas de entre 5 a 10 cm de espesor, colocadas sobre superficies especialmente preparadas o asfalto deteriorado, conforma un “paquete estructural compuesto ” de excelentes características y a un precio menor al de un recapamiento asfáltico y por supuesto, con mayor durabilidad
Ventajas del asfalto as ventajas de asfalto, ofrecen grandes beneficios. El asfalto es seguro, suave y duradero. Puede ser costruido para durar indefinidamente. El asfalto es el pavimento verde: es hasta en un 100% reutilizable, reciclable. Además, su flexibilidad y nuevas tecnologías están haciendo del pavimento asfáltico la única opción sostenible.
El asfalto es fácil de construir y mantener
El asfalto es un pavimento flexible construido en varias capas con un flujo continuo de material en movimiento a través de la pavimentadora de asfalto. articulaciones repetitivos de construcción, textura de la superficie ruidoso, y ups de soplado son eliminados por este método de construcción. Este método de construcción crea el desplazamiento suave y silencioso. Estas características se benefician los usuarios del aeropuerto también. Las pistas de asfalto y calles de rodaje significan aterrizajes y despegues más seguros, porque tales superficies son suaves y fáciles de mantener.
El asfalto es costo-eficiente
El asfalto tiene bajos costos iniciales, dura mucho tiempo, y debido a su capacidad de reciclaje, tiene un valor residual superior a otros pavimentos. El asfálto reciclado contiene una gran cantidad de bitumen, se puede recalentar y su reutilización es simple. Por lo tanto asfalto regenerado es una materia prima valiosa como bitumen es el componente más caro de asfalto. Por estas razones la reutilización de asfalto regenerado produce ahorros considerables, especialmente si las distancias de transporte del asfalto viejo recuperado son razonablemente cortas.
La reutilización de asfalto produce un notable ahorro en los costos de materiales y logística. Reutilizando el agregado también ofrece ahorro, especialmente en los países que tienen que importarlo. La reutilización de asfalto reduce la necesidad y el coste de transporte, lo que reduce significativamente las emisiones de CO2 al mismo tiempo. (Asfalto Sostenible – Reciclaje; El Nordic Forum Road, NVF, 5/2012) Otra ventaja de asfalto es que sólo el espesor del pavimento necesario (dependiendo del tráfico y el clima) debe ser aplicada para obtener un camino durable, rentable y sostenible.
El asfalto es seguro
La nueva tecnología de asfalto asegura la dispersión rápida y el drenaje de las aguas superficiales, la reducción de pulverización de agua y por lo tanto, la mejora de la visibilidad para el conductor en condiciones de humedad. Los materiales porosos reducen drásticamente el cegamiento de pulverización, y mediante la dispersión de las aguas superficiales y también reducen la visibilidad de las marcas viales. La variedad de mezclas asfálticas ofrece especificadores de la solución adecuada para todo tipo de condiciones atmosféricas del camino y, maximizando la seguridad para todos los usuarios de la carretera. Aunque se habla de „asfalto , hay una amplia gama de tipos y mezclas disponibles, cada una tiene cualidades a medida para aplicaciones específicas. Por ejemplo, hay mezclas de asfalto adecuados para que la lluvia pesadadrene rápidamente de la superficie. También son mezclas que se pueden diseñar para una textura en la superficie de asfalto con una alta resistencia al deslizamiento para zonas susceptibles de experimentar una frenada brusca. La superficie lisa de asfalto proporciona el máximo contacto del neumático con la calzada, el aumento de la resistencia al deslizamiento. El asfalto coloreado también se utiliza para alertar a la atención del conductor a las zonas peligrosas, tales como uniones ocultas o curvas cerradas, así como las áreas que requieren medidas de seguridad especiales, como salidas de las escuelas. La rápida construcción de carreteras de asfalto significa menos tiempo para los trabajadores de la obra de construcción. ‟
El asfalto es durable y puede ser construido para durar indefinidamente
Los pavimentos de asfalto a menudo se construyen utilizando las capas de base gruesas para soportar la carga principal por encima de una capa granular no unida. A continuación, la capa intermedia se coloca sobre la capa de base. El aglutinante intermedio es seguido por una capa de rodadura de treinta a cuarenta milímetros. La capa de rodadura puede durar hasta 15 – 20 años, dependiendo de la mezcla de asfalto utilizado. Cuando esta capa de rodadura deba ser renovada o sustituida, se muele, y luego se reutiliza en una nueva capa de asfalto. Adecuadamente diseñadas, construidas y mantenidas las capas intermedias y de base siguen siendo fuertes y viables durante muchas décadas y, a veces sin necesitar reconstrucción total.
El asfalto es rápido de construir y mantener
Los pavimentos de asfalto son rápidos para construir. Debido a que el asfalto efectivamente no necesita tiempo de “curación”, los conductores pueden utilizar las carreteras tan pronto como el último rodillo abandona la zona de construcción. Esto significa menos retrasos y carreteras más seguras para los viajeros. Estas propiedades de carreteras de asfalto significa que se pueden abrir fácilmente y rápidamente vueltos a cerrar casi inmediatamente. Esto es muy importante para el mantenimiento general de carreteras con el fin de mantener los caminos para extender la vida útil de la estructura de la carretera, proporcionando una superficie de la carretera segura y sin problemas para los vehículos. La falta de juntas de pavimento reduce los requisitos de mantenimiento. Debido a que los pavimentos de asfalto no tienen articulaciones para reparar y no se ven afectados por las acciones de congelación y descongelación, que son mucho menos caro de mantener.
Cuando el volumen de tráfico se eleva, la superficie existente puede ser fácilmente reforzada por la aplicación de un recubrimiento o de la ampliación de carriles en lugar de tener que ser reconstruido. Esta flexibilidad de aplicación también significa que las carreteras de asfalto pueden permanecer parcialmente abiertas mientras están siendo mejoradas, y sin la necesidad de períodos largos de curado se pueden volver a abrir rápida ayudando a mantener en funcionamiento el tráfico.
El asfalto es de hasta 100% reutilizable
El asfalto es uno de los productos de construcción que más se recicla en Europa. Esto hace que los pavimentos de asfalto sostenible. Se necesita menos nuevas betún para hacer nuevos pavimentos de asfalto y millones de toneladas de nueva agregada se pueden guardar. Incluso es posible crear un pavimento de casi 100% de asfalto regenerado. El asfalto recuperado se recoge y se transporta a la planta de asfalto más cercana. En la planta de asfalto puede triturarse y los gránulos de asfalto triturados se utilizan para el nuevo asfalto. En muchos casos asfalto molido puede ser reutilizado sin trituración adicional. Es común a resurgir desgastado asfalto moliendo la capa superior, por lo que el nuevo asfalto se puede colocar sobre una superficie plana. Muchas plantas de asfalto tienen el equipo apropiado para reutilizar asfáltico reciclado (RAP). La industria del asfalto es uno de los precursores del reciclaje y la reutilización. El asfalto es 100% reciclable, lo que significa prácticamente que toda la asfáltico recuperado se reutiliza o se recicla. La reutilización de asfalto viejo ha aumentado en popularidad desde los años setenta.
El asfalto es flexible
Las superficies de asfalto pueden ser „a medida‟ – debidamente formuladas y diseñadas para soportar la carga de tráfico y las condiciones climáticas de un camino específico. Hay soluciones especiales de mezcla de asfalto para carreteras, vías urbanas, suburbanas y rurales, y su flexibilidad es particularmente útil para hacer frente a las tensiones de grandes cargas de tráfico en los puentes. En las áreas donde las carreteras tienen que hacer frente a la congelación y descongelación frecuente, gracias a la elasticidad de bitumen, superficies de asfalto pueden ser diseñados para tolerar ciclos de temperatura extremas.
El asfalto es la opción flexible para cualquier camino. No sólo el material en sí mismo, pero el hecho de que puede ser diseñado para aportar soluciones óptimas para todos los tipos y tamaños de carreteras, carriles y los carriles bici para pavimentos de trata ligera, por ejemplo, en los suburbios, las capas pueden ser más delgadas. Las características especiales de tráfico o de seguridad en la superficie de la carretera, como rampas de velocidad, rotondas y aumento o en descenso carriles también se pueden crear. DESVENTAJAS Escalonamiento de Juntas
Agrietamiento transversal
Agrietamiento de esquina
Desprendimiento de bloque
DESVENTAJAS DEL PAVIMENTO ASFALTICO Agrietamiento por fatiga
Deformación permanente
Agrietamiento por bajas temperaturas