Diseño de Sobrecapas

UNIVERSIDAD SEÑOR DE SIPAN SIPAN FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

DOCENTE:

ING. RUIZ SAAVEDRA, NEPTON DAVID INTEGRANTES:

FERNÁNDEZ SILVA, JOSÉ ISMAEL. LEÓN PÉREZ, MAX YOBER.

CICLO:

VI

PIMENTEL, 08 DE JULIO DEL 2017

DISEÑO Y REHABILITACIÓN DE PAVIMENTOS

ÍNDICE INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 4 CRITERIO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO PARA EL DISEÑO DE REFUERZOS DE PAVIMENTOS FLEXIBLES ............................................................................... 5 1.

DISEÑO DE SOBRECAPAS ASFÁLTIC ASFÁLTICAS AS EN PAVIMENTOS FLEXIBLES ... 5

A. Procedimiento deflectométrico ................... ......... ................... ................... ................... .................. .................. .............. ..... 5 1.

Investigación de campo................... .......... ................... ................... .................. ................... ................... .................. ......... 5

2.

Tránsito de diseño ................... .......... ................... ................... .................. ................... ................... .................. ................. ........ 7

3.

Evaluación de la condición estructural del pavimento ................... .......... ............... ...... 7

4. Diseño de sobrecapas sobrecapas a partir partir de las deflexiones deflexiones .................. ........ ................... ............... ...... 8 B. Procedimiento basado en espesores efectivos. .................. ......... ................... ................... ............... ...... 8 1.

Análisis de la subrasante ................... .......... ................... ................... .................. ................... ................... ............... ...... 9

2.

Tránsito de diseño ................... .......... ................... ................... .................. ................... ................... .................. ................. ........ 9

3.

Espesor efectivo del pavimento existente ................... ......... ................... .................. ................. ........ 9

4.

Cálculo del espesor de sobrecapas................... ......... ................... ................... ................... ................ ....... 11

C.Ventajas y desventajas de la viga Benkelman .................. ......... ................... ................... ............. .... 11 2.

ENFOQUE A PARTIR DEL CONCEPTO DE LA DEFICIENCIA DEFICIENCI A ESTRUCTU ESTRUCTURAL RAL ............... ................................ ................................. ................................. .................................. ............................ ........... 13 2.1.Enfoque a partir del concepto de la deficiencia estructural (AASHTO) (AASHTO) 14

3. 4.

2.1.1. Pasos para determinar el espesor de la sobrecapa ................... ......... .............. 14 PROCEDIMIENTO PROCEDIMIE NTO EMPÍRICO – MECANÍSTICO ................... ......... ................... .................. ............... ...... 15 DISEÑO DE SOBRECAPAS DE CONCRETO SOBRE PAVIMENTOS ASFÁLTICO ASFÁLTICOS S ................. ................................. ................................. ................................. ................................. ............................... .............. 16 4.1 Pasos para determinar el espesor de la sobrecapa .................. ......... ................... .............. 16 4.2 Condiciones bajo las cuales no es conveniente diseñar una sobrecapa de concreto sobre un pavimento asfáltico .................. ......... .................. .................. ................... .............. .... 16

5. DISEÑO DE SOBRECAPA DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS RECICLADOS .. 17 5.1 Enfoque para el diseño del reciclado en planta en caliente ................. .......... ....... 17 5.2 Enfoque para el diseño del reciclado en caliente en el sitio ................ ............. ... 17 5.3.Enfoque para el diseño di seño del reciclado en frío en el sitio................... ......... ............... ..... 17 5.3 . Condiciones bajo las l as cuales no es conveniente diseñar el reciclado en frío en el lugar de un pavimento asfáltico ................................................... 18 6

DISEÑO DE SOBRECAPAS ASFÁLTICAS SOBRE PAVIMENTOS RÍGIDOS 18

DISE O DE SOB SOBRECA RECAPAS PAS EN PAV PAVIME IMENTO NTOS S

2


6.1Enfoque a partir del concepto de la deficiencia estructural (AASHTO) 18 6.2 .Condiciones bajo las cuales no es conveniente diseñar una sobrecapa asfáltica sobre un pavimento rígido............................................................. 19 7

RECOMENDACIONES ................................................................................... 20

8

ANEXOS ......................................................................................................... 21

DISE O DE SOBRECAPAS EN PAVIMENTOS

3


INTRODUCCIÓN

Las sobrecapas se pueden construir con un fin funcional, es decir para mejorar la fricción superficial y la comodidad del usuario, caso en el cual la sobrecapa es delgada y su espesor no se define con base en procedimientos de diseño.

Asimismo, se pueden construir para acondicionar la capacidad estructural del pavimento a la intensidad del tránsito futuro, caso en el cual su espesor es mayor y se obtiene como resultado de un diseño. Una sobrecapa construida con esta misión también corrige las deficiencias de tipo funcional.


4


CRITERIO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO PARA EL DISEÑO DE REFUERZOS DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

El Instituto del asfalto presenta una metodología que suministra: técnicas para evaluar la capacidad estructural de pavimentos flexibles y rígidos, métodos para determinar su capacidad para brindar una superficie de rodamiento cómoda y segura, técnicas para el diseño de sobrecapas que incrementen la resistencia de pavimentos débiles o deteriorados y medios para el diseño de sobrecapas que adecúen pavimentos en estado aceptable, al tránsito futuro.

1. DISEÑO DE SOBRECAPAS ASFÁLTICAS EN PAVIMENTOS FLEXIBLES

La técnica de evaluación propuesta por el Instituto del Asfalto, incluye dos métodos de evaluación: el deflectométrico y el de espesores efectivos. Los procedimientos de cada uno de ellos se describen a continuación.

A. Procedimiento deflectométrico

1. Investigación de campo La magnitud de las deflexiones de un pavimento indica su aptitud para soportar las cargas del tránsito. Investigaciones realizadas en muchas partes del mundo han permitido establecer correlaciones entre las cargas (magnitud y frecuencia) y las deflexiones, las cuales se emplean para evaluar la capacidad estructural del pavimento, así como para determinar la extensión de las acciones correctivas por tomar. Existen muchos dispositivos que miden, de manera no destructiva, las deflexiones intentando con ello, simular la respuesta del pavimento ante una carga móvil. La Viga DISE O DE SOBRECAPAS EN PAVIMENTOS

5


Benkelman es quizás, el aparato con el cual se posee

una

mayor

experiencia. La viga mide las deflexiones bajo la rueda de un vehículo cargado, en los puntos seleccionados para ello. El Instituto del Asfalto recomienda azar,

12

tomar, lecturas

al por

kilómetro de carretera (el INV acostumbra tomar 20 a intervalos de 50 metros,

VIGA BENKELMAN

de modo alterno a uno y otro lado de la calzada). Los valores de deflexión obtenidos en cada sección que se considere homogénea, se promedian, se ajustan por temperatura y período climático crítico del año y se le suman dos desviaciones estándar, obteniéndose un valor que es representativo del 97% de las deflexiones medidas en la sección (el INV adiciona solo una desviación estándar y el valor obtenido representa aproximadamente el 85% de los valores). Los sitios en los que las deflexiones ajustadas superen el valor representativo, deben considerarse en detalle y probablemente requieran una auscultación adicional. En ellos, tal vez sea necesario un parcheo intenso y la colocación de espesores de refuerzo algo mayores. Estos tramos, además, deberán ser excluidos del resto de la sección para efectos del cálculo de las deflexiones características.


6


2. Tránsito de diseño

El Ingeniero deberá realizar una proyección de tránsito para el período de diseño del refuerzo que se vaya a colocar al pavimento. La proyección, realizada a partir de los datos de la serie histórica de tránsito y obteniéndose un tránsito futuro, expresado

como

número

acumulado

de

ejes

simples

equivalentes de 8.2 t (80 kN) en el carril de diseño durante el período de diseño (Nd).

3. Evaluación de la condición estructural del pavimento

Es posible predecir, a partir de la deflexión características (Dc), el período que puede transcurrir antes que sea indispensable la colocación de un refuerzo en el pavimento que se analiza. El procedimiento por aplicar, es el siguiente: 

Determinar la deflexión característica (Dc).



Haciendo que la deflexión característica sea igual a la deflexión admisible de diseño, obtener un valor de tránsito remanente (Nr).



Determinar el tránsito promedio diario actual, discriminado por tipo de vehículo. Multiplicar cada valor por el porcentaje que utiliza el carril de diseño y por 365 para obtener el tránsito total del año actual para cada tipo de vehículo.



Multiplicar estos valores por los factores de equivalencia de carga para cada uno de ellos y sumar los productos (No).



Hallar un factor de crecimiento, de tránsito, mediante la relación Nr/No.



Estimar, con base en la serie histórica, la tasa anual de crecimiento del tránsito.


7




Con el factor y la tasa de crecimiento hallar un período de diseño. El valor así obtenido es el número de años que transcurrirán antes que la sobrecapa sea necesaria.

4. Diseño de sobrecapas a partir de las deflexiones

El procedimiento que se va a desarrollar en este caso, es el siguiente: 

Determinar la deflexión característica.



Estimar el tránsito para el tiempo que se tomará como período de diseño de la sobrecapa.



Con estos dos valores, determinar en la gráfica de diseño el espesor requerido de sobrecapa, en concreto asfáltico.

B. Procedimiento basado en espesores efectivos.

El procedimiento se basa en el concepto de que la vida de los pavimentos se reduce a medida que van soportando el tránsito con el transcurso del tiempo. Esto equivale a suponer que cuando el pavimento va utilizando parte de su vida, se va comportando como si fuera adelgazando, es decir que su espesor efectivo se va haciendo cada vez menor. Para calcular el espesor efectivo de un pavimento existente, se requiere conocer la composición y espesor de cada una de sus capas, así como las propiedades de la subrasante. Para completar el proceso de diseño, se requiere, además, un estimativo del tránsito a que estará sometido el pavimento luego del refuerzo. El espesor de éste, se determina mediante la diferencia entre el espesor que se requeriría de un pavimento nuevo sobre la subrasante existente, para soportar el tránsito futuro, y el espesor efectivo del pavimento existente. DISE O DE SOBRECAPAS EN PAVIMENTOS

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1. Análisis de la subrasante

Para efectos de diseño, es necesario conocer las propiedades de resistencia de la subrasante. Si se dispone de los datos originales del diseño, ellos pueden emplearse, adicionándoles algunos ensayos de verificación; si no se dispone de ellos, la comprobación de campo se hace indispensable. Para evitar errores sistemáticos, las muestras para ensayo deben escogerse al azar. Dichas muestras se prueban en el laboratorio por medio del ensayo triaxial para determinar el módulo resiliente, en cuyos términos se expresa la resistencia en las gráficas de diseño del Instituto del Asfalto; sino se puede realizar el ensayo, se permite estimar el módulo a partir del CB.R. o del valor de R del estabilómetro Hveem.

2. Tránsito de diseño

Su valor Nd, debe estimarse mediante el mismo procedimiento aplicado para el diseño con base en deflexiones.

3. Espesor efectivo del pavimento existente

El Instituto del asfalto presenta dos métodos para determinarlo. El método 1 incluye el empleo de un factor de conversión para la estructura del pavimento, a partir de una sencilla calificación de su estado, más el empleo de unos factores de equivalencia para convertir los diversos materiales de la estructura a espesores equivalentes de concreto asfáltico. El método 2 requiere el uso de factores de conversión para cada capa del pavimento de acuerdo con su estado actual, para convertirla directamente a un espesor equivalente de concreto asfáltico.


9




Método 1. Los factores de conversión (C), se basan en análisis de vida remanente de estructuras típicas de pavimentos evaluados mediante el índice de servicio presente (ISP). Se ha observado que luego de ser reforzados, algunos pavimentos presentan una reducida rata de cambio en el ISP, comparada con la rata de cambio que presentaban antes de colocar la sobrecapa, representa un cambio en el ISP a una rata similar a la que se presentaba antes del refuerzo y es un tanto más conservativa. La elección de una u otra depende, en gran medida, del juicio y la experiencia. Los factores de equivalencia para bases estabilizadas con emulsión asfáltica, varían de acuerdo con las características de ellas, las cuales se identifican por medio de su denominación (Tipos 1, 11 y 111), tal como se designan también en el método de diseño de pavimentos del Instituto del Asfalto. El espesor efectivo de cada capa del pavimento (Te), se obtiene multiplicando su espesor real (T), por el factor de conversión (C) y el factor de equivalencia apropiado (E). El espesor equivalente total del pavimento se obtiene sumando los espesores equivalentes de las diversas capas que lo constituyen.



Método 2. Este método exige la determinación de las características de cada capa del pavimento, seleccionando a partir de ellas, los factores de conversión apropiados. El espesor efectivo de cada capa (Te), será el producto de su espesor real (T) por el factor de conversión (C); y el (Te) de Este método exige la determinación de las características de cada capa del


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pavimento, seleccionando a partir de ellas, los factores de conversión apropiados. El espesor efectivo de cada capa (Te), será el producto de su espesor real (T) por el factor de conversión (C); y el (Te) de toda la estructura del pavimento, es la suma de los espesores efectivos de todas las capas. Deberá tenerse siempre presente, que no existe aún datos suficientes sobre experiencias de comportamiento que permitan establecer con precisión los factores de conversión, por lo que los valores son, en cierto grado, subjetivos.

4. Cálculo del espesor de sobrecapas

El procedimiento del Instituto del Asfalto para calcular el espesor de refuerzo en concreto asfáltico, a partir del espesor efectivo del pavimento es el siguiente:  =  − 

Donde: 

To = Espesor de la sobrecapa.



Tn = Espesor que requeriría un pavimento nuevo de espesor pleno en concreto asfáltico, para soportar el tránsito de diseño, Nd, sobre la subrasante existente, Mr.



Te = Espesor efectivo del pavimento existente.

C. Ventajas y desventajas de la viga Benkelman

La medida de las deflexiones con la viga Benkelman presenta una serie de inconvenientes entre los que se destacan:


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

Es un ensayo puntual y con secuencias espaciales demasiado grandes (50m) para caracterizar correctamente un pavimento.



Al ser una viga metálica puede sufrir dilataciones o acortamientos por efecto de la temperatura que afecta a la medida especialmente en días fríos o calurosos.



En carreteras con gran intensidad de tráfico los ensayos producen problemas en la circulación y peligro de accidentes incluso para los operarios del equipo. A pesar de lo anterior el uso de la viga Benkelman no debe ser descartado ya que pueden tener unos campos de aplicación muy definidos como pueden ser:



Dado que la viga Benkelman es el patrón universal de medida de las deflexiones, su determinación es imprescindible para obtener la correlación entre cualquier deflectómetro y la viga.



En tramos cortos o en zonas muy localizadas en las que se produzcan anomalías, el ensayar con viga Benkelman puede ser más eficaz y rápido que disponer de un equipo de mayor rendimiento que, para efectuar las medidas, tenga que realizar grandes desplazamientos.



En una red secundaria de carreteras en las que las incidencias de tráfico son menores, la viga Benkelman es el único ensayo con el que se puede realizar una auscultación generalizada, debido a la insuficiencia en nuestro medio de equipos existentes de alto rendimiento.



En tramos en construcción el disponer de una viga Benkelman es siempre útil, para evaluar qué influencia pueden tener determinados

factores

constructivos

en

la

capacidad

estructural de la obra ejecutada.


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2. ENFOQUE A PARTIR DEL CONCEPTO DE LA DEFICIENCIA ESTRUCTURAL La sobrecapa debe satisfacer la deficiencia entre la capacidad estructural requerida para soportar el transito futuro (SCf) y la capacidad estructural del pavimento existente (SCeff)

Perdida de la capacidad estructural del pavimento después del tiempo y transito

FUENTE: GUÍA PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO, AASHTO 1993 Donde: SC0: capacidad estructural de un pavimento nuevo SCol: pavimento con capacidad estructural SCeff : pavimento con capacidad estructural efectiva


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SCf : pavimento con capacidad estructural requerida para soportar trafico futuro SCol= scf-scef P1, p2, p1.5: serviciabilidad SN: capacidad estructural para pavimentos flexibles D: capacidad Para pavimentos rígidos (se expresa como un espesor equivalente de la losa) 

La capacidad estructural del pavimento disminuye con el tiempo y el tráfico



La capacidad estructural efectiva para cada tipo de pavimento se expresa de la siguiente manera

SNef f: Pavimento flexible Deff : Pavimentos rígidos y compuestos 2.1. Enfoque a partir del concepto de la deficiencia estructural (AASHTO) 2.1.1. Pasos para determinar el espesor de la sobrecapa 

Análisis de transito



Determinación del numero estructural requerido para soportar el transito futuro (SNf )



Determinación del

número estructural

del pavimento

existente (SNeff) 

Determinación del espesor de la SOBRECAPA



(SNf - SNeff ) / a1



a1 = coeficiente estructural de la sobrecapa del material de refuerzo


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3. PROCEDIMIENTO EMPÍRICO – MECANÍSTICO La sobrecapa reduce, a niveles admisibles para el tránsito previsto, la deformación horizontal por tracción en las fibras inferiores de las capas ligadas y la deformación vertical por compresión sobre la subrasante


15


4. DISEÑO DE SOBRECAPAS DE CONCRETO SOBRE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS 

Las sobrecapas de concreto sobre pavimentos asfalticos se construyen para aumentar la capacidad estructural y se diseñan como pavimentos nuevos, considerando al pavimento existente como una fundación de elevada fricción y alta capacidad portante



Se recomienda que el espesor de diseño no sea inferior a los siguientes mínimos, para refuerzos de concreto simple con juntas: Para vías principales = 150 mm Para vías de bajo tránsito y estacionamientos = 100 mm



Caracterización del pavimento



Análisis de tránsito



Auscultación deflectométrica



Estimación del módulo de reacción del soporte



Determinación del espesor de la sobrecapa



Cuando el pavimento existente presente pocos deterioros



Cuando se presenten inconvenientes por la elevación de la rasante, especialmente en vías urbanas y cuando los gálibos sean limitados y se puedan generar problemas en la luz libre debido al espesor de las losas (para evitar este inconveniente se pudieran realizar reconstrucciones del pavimento en los cruces a desnivel)


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

Cuando exista la posibilidad de que el pavimento existente sufra cambios volumétricos de importancia (levantamientos o asentamientos)

5. DISEÑO DE SOBRECAPA DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS RECICLADOS



El reciclado en planta en caliente constituye una mezcla similar a una nueva



Su aplicación como sobrecapa sirve para corregir deficiencias funcionales de la calzada, caso en el cual no se realiza dimensionamiento, o para mejorar la capacidad estructural del pavimento, caso en el cual el diseño de la rehabilitación es el correspondiente al diseño de sobrecapas asfálticas



El reciclado superficial en caliente, en sus diversas modalidades, (cepillado, termo-reperfilado y termoregeneración) consiste en un reprocesamiento de la superficie del pavimento en bajos espesores, con o sin la adición de nuevos materiales



Es aplicable donde los deterioros del pavimento no obedezcan a causas estructurales y, por lo tanto, es considerado como un trabajo de restauración superficial al cual no aplica ningún método de diseño estructural

5.3. Enfoque para el diseño del reciclado en frío en el sitio 

El reciclado en frío en el lugar es un medio de incrementar la capacidad estructural de un pavimento asfáltico mediante el reprocesamiento de los materiales de las capas superiores


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

Se emplean ligantes hidrocarbonados (emulsión o asfalto espumado), cemento Portland o una mezcla de ellos



Las capas recicladas en frío son susceptibles a la abrasión y a la erosión, por lo cual deben ser protegidas por un revestimiento, generalmente de tipo asfáltico



El diseño del pavimento reciclado se puede realizar a partir del concepto de la deficiencia estructural o mediante procedimientos empírico - mecanísticos

5.3 Condiciones bajo las cuales no es conveniente diseñar el reciclado en frío en el lugar de un pavimento asfáltico 

Cuando el pavimento existente presente pocos deterioros, por cuanto puede existir otra solución de rehabilitación más económica



Cuando

existan

variaciones

muy

pronunciadas

en

las

características de los materiales por tratar, así como en los espesores de las capas, tanto en sentido longitudinal como transversal 

Cuando la capa de apoyo de la reciclada tenga muy baja capacidad de soporte



Cuando las propiedades de los agentes de reciclado disponibles no se ajusten a las necesidades específicas del proyecto

6 DISEÑO DE SOBRECAPAS ASFÁLTICAS SOBRE PAVIMENTOS RÍGIDOS 6.1 Enfoque a partir del concepto de la deficiencia estructural (AASHTO) 1. Información sobre el diseño del pavimento existente Espesor construido (D), tipo de transferencia de carga, tipo de bermas 2. Tránsito de diseño Calcular el número de ejes equivalentes de 80kN en el período de diseño de la sobrecapa DISE O DE SOBRECAPAS EN PAVIMENTOS

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3. Análisis de la condición general del pavimento Determinación del número de grietas transversales y juntas transversales deterioradas por milla, número de parches asfálticos y de juntas muy abiertas 4. Medida de deflexiones en la huella externa 5. Toma de núcleos del pavimento y ejecución de ensayos de resistencia 6. Determinación del espesor requerido de losas para soportar el tránsito futuro 7.

Determinación del espesor efectivo del pavimento existente

8. Determinación del espesor de sobrecapa en concreto asfáltico

6.2 Condiciones bajo las cuales no es conveniente diseñar una sobrecapa asfáltica sobre un pavimento rígido 

Cuando la cantidad de losas agrietadas y con juntas deterioradas sea tan grande, que resulte más conveniente la remoción y reemplazo de las losas



Cuando haya daños severos y extensos por durabilidad o por reacciones expansivas de los agregados del concreto



Cuando el gálibo en las intersecciones a desnivel sea insuficiente para alojar el espesor de diseño de la sobrecapa o existan problemas con el manejo de la rasante


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7 RECOMENDACIONES



Cuando el

pavimento existente presente áreas

extensas con

agrietamientos del tipo piel de cocodrilo de severidad alta, que indican que la solución más conveniente consiste en la remoción y el reemplazo de parte de la estructura.



Cuando hay ahuellamientos excesivos, sintomáticos de la existencia de materiales cuya baja estabilidad no prevendrá la recurrencia del fenómeno.



Cuando exista una base estabilizada con severos deterioros que exigirían una excesiva cantidad de arreglos previos para proporcionar un soporte uniforme a la sobrecapa.

 Cuando

se considere que la base granular deba ser reemplazada

debido a infiltración y contaminación por una subrasante blanda.


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8 ANEXOS

GRAFICO 01 OPCIONES ADECUADAS DE MEJORAMIENTO EN DIFERENTES PUNTOS DE LA VIDA DEL PAVIMENTO

GRAFICO 02 FACTOR DE REAJUSTE POR TEMPERATURA


21


GRAFICO 03 FACTOR DE REAJUSTE POR TEMPERATURA CLIMATICA

GRAFICO 04 ENFOQUE A PARTIR DE LAS MEDIDAS DE DEFLEXIÓN


22

Diseño de Sobrecapas

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