Diseño de Pavimentos
Riego e a
erenc encia
Rodamiento
Imprimación
CL Base asfáltica
Base granular o
Sub‐base
‐ compactada
Figura1. Terminología utilizada corrientemente en ingeniería de pavimentos.
Gustavo Corredor M.
[email protected]
¿Qué es un pavimento? "La superestructura de una vía, construida sobre la sub- rasante, y compuesta normalmente por la sub-base, la base y la capa de rodamiento, cuya función principal es soportar las cargas rodantes y transmitir los esfuerzos al terreno, distribuyéndolos en tal forma que no se produzcan deformaciones perjudiciales, así como efectos del tránsito"
a par e super or e una carre era, p s a e aterrizaje, o estacionamiento y cuyo objetivo es servir al tráfico de una manera segura, cómoda, eficiente, permanente y económica".
Características importantes del diseño de pavimentos: • Es de desarrollo re recciente te:: Se inicia básicamente a partir de 1945, fecha muy cercana a la actual. Otras técnicas de la ingeniería, edificaciones, canales, etc, han ido prácticamente paralelas al desarrollo de las concentraciones humanas. • es dinámico: los métodos están cambiando continuamente al producirse nuev nu evos os da dato tos, s, ta tant nto o de ca camp mpo o co como mo de la labo bora rato tori rio. o. •Como
ejemplo de esta dinámica propia del diseño de pavimentos podemos , , AAS ASHT HTO O, qu quee es intr trod oduc ucid ido o po porr pr prim imer eraa ve vezz en 19 1962 62 co como mo un unaa "G "Guí uíaa Pr Prov ovis isio iona nal" l",, • in • se perfecciona en 1972 y en 1981, y nuevamente en el año 1986. • Posteriormente, en el año 1993, se actualiza el procedimiento de diseño de rehabilitaciones, pero se mantiene igual al del año 1986 el proc pr oced edim imie iento nto de di dise seño ño de nu nuev evos os pa pavi vime ment ntos os.. • El Método del 86(93), ha sido validado para las condiciones part pa rtic icul ulaare ress de Ven eneezu zueela po porr el Dr Dr.. Aug ugus usto to Jug ugo, o, en el añ año o 19 19997. , • cual sin embargo, solo ha sido hecha del conocimiento de los Ingenieros en el mes de marzo de 2004, y se espera que esté disponible com co mo he herr rraami mien enta ta de di dise seño ño pa para ra el año 201 0155.
Características importantes del diseño de pavimentos:
• Es atípico entre todos los diseños: es prácticamente la única estructura de uso definitivo que se diseña bajo la hipótesis de que fallará a un tiempo determinado. • Es un diseño a futu turro: toma en consideración la variable "tiempo", y el diseño se realiza desde el momento presente y a lo largo de un número de años determinado.
• No es uniforme, o único: se dispone de numerosos métodos; existen diferencias sobre la aplicabilidad de un mismo método en diversos sitios, lo que ha generado modificaciones sobre los métodos básicos, o al desarrollo de métodos particulares a un material o región. Así se dispone de métodos para , , de suelo y cemento, etc. • Es crítico: los pavimentos están sujetos a las condiciones ambientales, las cuales son no controlables, al abuso del tráfico y al mal mantenimiento, y los métodos no contemplan ningún "factor de seguridad (FS)" de aplicación directa, salvo el Método AASHTO-93, AASHTO-93, que sí incluye un FS.
Características importantes del diseño de pavimentos:
• Tiene una alta incidencia en la economía: pequeñas variaciones variaciones en valores de diseño (cms espesor) resultan en altos valores de inversión por . • Afecta la vida diaria del individuo: un alto porcentaje del tiempo de un ciudadano es pasado sobre un vehículo; si es inseguro puede causar accidentes con resultados económicos adversos adversos y de salud o muerte. • Requiere del uso de mucho criterio: no existen dos pavimentos con condiciones idénticas, idénticas, y menos aun dos Proyectistas con iguales enfoques de diseño; y en la optimización del proceso de diseño el ingeniero debe , , experiencia e ingenio
Tipos de pavimentos
Actividades dentro de un "Sistema Gerencial de Pavimentos”
Sistema de Gerencia de Pavimentos en Venezuela
Distribución de las cargas de los neumáticos a través de la estructura de un pavimento flexible
Esfuerzos de tracción y compresión como resultado del paso de una carga sobre un pavimento flexible
Esfuerzos en los pavimentos flexibles
a. un pavimento está compuesto por un sistema de varias capas, es " " b. los materiales en cada capa son homogéneos, es decir las propiedades del material Ai son las mismas del material Bi, ya que forman parte de la misma capa c. cada capa tiene un espesor finito, excepto la sub-rasante. Todas las capas, sin embargo son infinitas en la recc n atera
Esfuerzos en los pavimentos flexibles
d. el material que forma cada capa es isotrópico, es decir las Ai son iguales en cualquier dirección e. se desarrolla una completa fricción entre las capas a nivel de las diversas interfaces f. no ocurren esfuerzos cortantes en la capa de rodamiento g. os es ue uerz rzos os pa parra cua qu er material se definen mediante dos propiedades: la relación de Poisson su módulo elástico E
Diseño de Pavimentos (a) Diseño Diseño y evaluación de “nuevos pavimentos”
Sección estructural de un nuevo pavimento
Diseño de Pavimentos (b) Diseño de capas de refuerzo en Pavimentos existentes “rehabilitación de pavimentos” Se requiere evaluar la condición momento de rehabilitación, interpretando los tipos de fallas, su severidad y Magnitud (Ingeniería forénsica)
(fatiga)
Diseño de Pavimentos (b) Diseño de capas de refuerzo en Pavimentos existentes “rehabilitación de pavimentos” Se requiere evaluar la condición momento de rehabilitación, interpretando los tipos de fallas, su severidad y magnitud (2) Deformación permanente por cargas (Ahuellamiento)
Diseño de Pavimentos (b) Diseño de capas de refuerzo en Pavimentos existentes “rehabilitación de pavimentos” Se requiere evaluar la condición del pavimento en servicio al los tipos de fallas, su severidad y magnitud
(3) Agrietamiento térmico, no por cargas
Métodos mas comunes de Diseño de Pavimentos ex es •
Método desarrollado or or la la Asociación Asociación Americana Americana de Administradores Administrador es Estadales de Carreteras y y Transporte Transporte (AASHTO)
•
o o e ns
•
Método de la Shell
uo e
s a o mer cano
• •
Método de la Portland Portland Cement Cement Association Association (PCA)
•
Métodos mecanicistas Se conocen mas de veinte (20) métodos de diseño
Método de Diseño de Pavimentos Flexibles •
Método desarrollado or or la la Asociación Asociación Americana Americana de Administradores Administrador es Estadales de Carreteras y y Transporte Transporte (AASHTO) diseño AASHT AASHTO O‐93 – Guía de diseño – Programa de diseño de de paviment pavimentos os desarrollado por por la la Asociación Asociación
Americana de Pavimentos de Concreto (ACPA), versión WinPas, aplicación para para paviment pavimentos os flexibl flexibles es (1993).
Ex eriment o Vial de la AASHO 1958- 1962
Base Bas e de d e l a Gu Gu ía de Diseñ Diseño o AASHT AASHTO O
Guía AASHTO Guía AASHT O‐93 ara el el diseño diseño y evaluación y evaluación de paviment de pavimentos os
Aplicación para Aplicación para los
Apuntes de Apuntes Pavimentos para el el diseño diseño y eeva uac n y de paviment de pavimentos os
Aplicación para Aplicación para los . Método AASHTO Método AASHTO‐93
Variables de diseño en la Ecuación de diseño del del Método Método AASHT AASHTO O‐93:
log10 Wt 18 = Z R * S o + 9.36 * log10 ( SN + 1) − 0.20 +
⎡ ΔPSI ⎤ . − . ⎥
log10 ⎢ 0.40 +
1094
+ 2.32 * log10 M R − 8.07
(SN + 1)5.19
Variables independientes:
Wt18 : Número de aplicaciones de cargas equivalentes de 80 kN acumuladas en el periodo periodo de diseño ( n ).
del desviador en en una curva de distribución normal, función normal, función de la ZR : Valor del desviador Confiabilidad del Confiabilidad del diseño diseño (R) o grado confianza en que las cargas de diseño no serán superadas por superadas por las las cargas reales aplicadas sobre el pavimento. pavimento.
Variables de diseño en la Ecuación de diseño del del Método Método AASHT AASHTO O‐93: ⎡ ΔPSI ⎤ 4.2 − 1.5 ⎥⎦ ⎣ log10 Wt 18 = Z R * So + 9.36 * log10 ( SN + 1) − 0.20 + + 2.32 * log10 M R − 8.07 0.40 + (SN + 1)5.19 log10 ⎢
–
, de tránsito (cargas y volúmenes) y comportamiento del pavimento a lo largo de su vida de servicio.
–
PSI: Pérdida de Serviciabilidad (Condición de Servicio) prevista en el diseño, y medida como la diferencia entre la “planitud” (calidad de acabado) del pavimento al concluirse su construcc construcción ión (Serviceabili (Serviceabilidad dad Inicial Inicial ( po ) y su planitud al final del periodo de diseño (Servicapacidad Final ( pt ).
–
MR: Módulo Resiliente de la subrasante y de las capas de bases y sub ‐bases granulares, obtenid obtenido o a través través de ecuacio ecuaciones nes de correla correlació ción n con la capaci capacidad dad portan portante te (CBR) (CBR) de los mat materia eriale less suel suelos os ranu ranula lare ress .
o
Variables de diseño en la Ecuación de diseño del del Método Método AASHT AASHTO O‐93: ⎡ ΔPSI ⎤ 4.2 − 1.5 ⎥⎦ ⎣ log10 Wt 18 = Z R * So + 9.36 * log10 ( SN + 1) − 0.20 + + 2.32 * log10 M R − 8.07 0.40 + (SN + 1)5.19 log10 ⎢
–
Número Estructural, o capacidad de la estructura ara so ortar las car as ba o las condiciones (variables independientes) de diseño.
– SN:
, algunos de los Programas de Diseño, tal tal como como el el P PAS
rograma e se o e pav men os esarro a o por a Asociación American Asociación Americana a de Pavimentos de Concreto (ACPA), versión WinPas, aplicación para para paviment pavimentos os flexib flexibles les .
Alternativa de programar ecuación en calculadora de bolsillo
Alternativa de solución gráfica de la ecuación de diseño
6
La variable tránsito
Cuantificar el tipo, el número y cargas de los diferentes vehículos que harán uso
Estimación de las car as de diseño EEo REE EEo = Cargas acumuladas en el primer año primer año del periodo periodo de diseño
EEo =TPDA * %Vp * FC * fds * fuc * A * D
= r
co rome o
ar o nua , para , para e pr mer a mer a o e per o o e
se o.
%V p = Porcentaje de vehículos de carga dentro del volumen del volumen de tráfico total FC
= Factor Camión, Factor Camión, o carga equivalente total por “camión por “camión promedio” promedio”
fds
= factor de factor de distribución del tráfico del tráfico por por sentido sentido de circulación
=
o
ac or e crec m en o
fuc
= factor de factor de utilización del tráfico del tráfico total por sentido por sentido en el canal el canal de de diseño
A
= factor de factor de ajuste por ajuste por tráfico tráfico desbalanceado
D = Días por Días por año año en que circulará por circulará por el el canal canal de de diseño el tráfico el tráfico definido por definido por los términos anteriores (365 días en este proyecto). este proyecto).
Información básica en tránsito: los registros históricos
Información básica en tránsito: la proyección hacia el futuro
Información básica en tránsito: los pesajes de los camiones Camión semitrailer 3S3 con 48 toneladas de carga total
Carga (T on) Eje de carga Toneladas en eje de carga Factor de equivalencia Ejes equivalentes causados por el
5,76 Simple dos ruedas
7,68 9,12 Tandem doble (Eje 2 + eje 3)
5,76 0,58
16,80 1,86
8,16
10, 56 Tandem triple (eje 4 + eje 5 + eje 6) 25,44 1,53
6,72
(0,58 + 1,86 + 1,53 ) ,
vehículo (Factor daño)
Es decir que el paso de este camión ca mión causa el mismo daño sobre el pavimento pav imento que el causaría un “camión virtual de 3,97 ejes simples de cuatro ruedas, cada eje cargado con 8,2 toneladas
Información básica en tránsito: las cargas de diseño
Proyecto LAVIRGEN-SAN JUAN DEL SUR
DISEÑO DE PAVIM ENTO FLEXIBLE
Factores de equivalencia AASHTO, para SN = 4 y pt = 2,5 Cediarias(iniciales) Cediarias(iniciales) = No. vehiculos vehiculos por d'ia * EEquivalentes EEquivalentes por vehiculo vehiculo Cediarias(totales Cediarias(totales ambos ambos sentidos) sentidos) = Cediarias(iniciales)* Cediarias(iniciales)* Factor de crecimiento n Factor de crecimiento = ([ (1+ TC)^ ] - 1) / ( TC) Año inicial 2007 er o o e se o = n = a os . Cediarias(totales ambos sentidos) * 365*fc*fd Ejes acumulados totales en el periodo de diseño = wt18 =
Ti o Veh.Livianos Mbuses Buses C2-Liviano C2pesado C3 T3S2 T3S3 C2R2
TOTAL
TPDA 1,682 53 114 234 181 15 238 4 4
EEvehiculo 0.0003 0.4811 0.7963 0.0572 0.5975 1.2633 2.1035 1.6478 2.5561
2,525
Factor de distribuciòn por sentido Factor de utilizaciòn de canal
0.52 1.00
Cediarias iniciales 0.50 25.50 90.78 13.38 108.15 18.95 500.62 6.59 10.22 774.69
TC
Fcrecimiento 5.80% 5.80% 5.80% 5.80% 5.80% 5.80% 5.80% 5.80% 5.80%
Wt18=
36.00 36.00 36.00 36.00 36.00 36.00 36.00 36.00 36.00
5,293,963
Cargas totales por dia (ambos sentidos 18.17 917.98 3,268.50 481.64 3,893.74 682.28 18,024.58 237.31 368.13 27,892.33
Otra variable de diseño: la “probabilidad” de éxito o “factor de seguridad”
La “condición de servicio” del pavimento: Var aria iabl blee im im or orta tant ntee en en el el dis diseñ eño o
No olvidar las “condiciones climáticas”
La calidad de los Materiales de fundación: Métodos de ensayo: Medición del Módulo elástico
La calidad de los Materiales de fundación: Medición del CBR
. y en su etapa de penetración.
,
Ecuaciones de correlación entre MR y CBR
El material de El material de sub‐rasante: selección del “valor de “valor de diseño”
Los materiales de construcción: •
Mezclas asfálticas
Equipos para la medición de las Equipos para Propiedades fundament Propiedades fundamentales ales de las MAC (Módulo MAC (Módulo Elástico)
Equipos para la medición de las Equipos para Propiedades mecánicas (relaciones empíricas)
Equipo Marshall para MAC
Es necesario conocer los procesos asociados con la producción en planta, el extendido y la compactac n e as mezc as en ca ente
Los materiales de construcción: •
ases y y su su ‐ ases granu ares La calidad de los Materiales granulares: Métodos de ensayo: elástico
Los materiales de construcción: •
ases y y su su ‐ ases granu ares La calidad de los Materiales granulares: Métodos de ensayo:
Figura 2. Ensayo CBR en su etapa de inmersión y medición de la expansión, y en su etapa de penetración.
Propiedades de Ingeniería de los materiales para Bases y sub-bases
0.13
Técnicas constructivas de las Bases y sub-bases granulares
eces a
e es a
zac n e sue os os
Técnicas constructivas de suelos estabilizados
Cuantificación de la condición climática en el diseño el diseño de Las bases y sub y sub‐bases granulares
Resumen de valores de diseño Estabilidad/r Módulo (psi) esistencia M AC Rodamiento > 2000 lbs 450 000 Grava tritur triturada ada Base Base gr anular 8 0 % CBR 38, 971 Grava m ina Sub‐base granu ranular 40 % CBR 25, 072 Terracería Sub‐rasante 6 % C BR 6, 619 Material
Cap a
Coeficiente Coeficiente estructural de drenaje 0.45 1 .0 ‐ 2. 03 0 .135 0 .9 2.41 0.12 0 .8 4.01
SN/(i)
Principio y procedimiento de diseño
Limitaciones del método de diseño
Limitaciones del método de diseño
Resumen del diseño estructural:
CAPA DE MEZCLA DE MEZCLA A ASS FÁ LTICA .
(Espesor = (Espesor = 15 cm)
‐ (Espesor = (Espesor = 33 cm)
Planteamiento de alternativas del del “paquete “paquete estructura Material
Capa
Diseño 1
Diseño 2
Diseño 3
Diseño 4
Espesor capa Espesor capa (cm) MAC M MAC M19
Rodamiento
P. Picada
Base granular
40,0
50,0
30,0
53,0
Grava río
Sub‐base granular
62,0
69,0
54,0
45,0
y análisis económico de estas alternativas
Guía AASHTO Guía AASHT O‐93 ara el el diseño diseño y evaluación y evaluación de “nuevos” pavimentos paviment os
Guía AASHTO Guía AASHT O‐93 ara el el diseño diseño y evaluación y evaluación de paviment de pavimentos os “en servicio”
Manual INVEAS Manual INVEAS ara el el diseño diseño y evaluación y evaluación de paviment de pavimentos os “en servicio”
Técnicas de “Evaluación Funcional” Índice de Condición del Pavimento (PCI)
Técnicas de “Evaluación Funcional” Índice de Rugosidad Internacional (IRI)
Técnicas de “Evaluación Estructural” Medición de deflexiones
Técnicas de “Evaluación Estructural” Medición de deflexiones
Cálculo del espesor de refuerzo
Técnicas de “Evaluación Estructural” Muestreo y ensayo de materiales existentes
Técnicas de “Evaluación Estructural” Muestreo y ensayo de materiales existentes
Técnicas de “Evaluación Estructural” Asignación de “condición estructural de la capa del pavimento
e
=
ae
e
m
Planteamiento de alternativas del del “paquete “paquete estructura Material
Capa
Diseño 1
Diseño 2
Diseño 3
Diseño 4
Espesor capa Espesor capa (cm) MAC M MAC M12
Rodamiento
MAC M12 MAC M12
Intermedia
12,0
14,0
8,0
12,0
geomalla)
Modificado con caucho)
y análisis económico de estas alternativas
El diseño de pavimentos es un proceso complejo y es oportuno reproducir un pensamiento encontrado en el escritorio del Ingeniero pavimentos, quien actualmente es el líder de la investigación que está conduciendo al desarrollo del nuevo método de la AASHTO.
. Este pensamiento dice:
“ unos materiales que no entendemos completamente, en formas en formas que no no podemos podemos analizar analizar con con precisión, precisión, ara que soporten cargas que no sa em emo os pre ec r con exactitud, en una una forma forma tal tal que que nadie sospeche nuestra ignorancia”.
Diseño de Pavimentos
Riego de adherencia Rodamiento
Imprimación
CL Base asfáltica
Base granular o
Sub‐base Material de sub‐rasante
estabilizada
compactada
Figura1. Terminología utilizada corrientemente en ingeniería de pavimentos.
Gustavo Corredor M.
[email protected]
