UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO ESCUELA DE POSGRADO MAESTRÍA EN INGENIERÍA CIVIL MENCIÓN GEOTECNIA Y VÍAS TERRESTRES
INDICE DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE POR EL METODO DEL INSTITURO DEL ASFALTO ...... 3 INTRODUCCION ....................................................................... ............................................................................................................................ .....................................................3 1.1. DISEÑO DE ESPESORES ................................................................................................ 4 1.2. PAVIMENTO FLEXIBLES .................................................................................................. 4 1.3. PAVIMENTO CARAPTERISTICAS ............................................................................. .................................................................................... ....... 4 1.4. FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS .................................. 5 1.4.1. 1.4.2. 1.4.3. 1.4.4. 1.4.5. 1.4.6.
EL TRANSITO ................................................................................................................ ........................................................................................................... .....5 LA RASANTE ................................................................................................................. 6 EL CLIMA .................................................................. ....................................................................................................................... .....................................................6 LOS MATERIALES DISPONIBLES ............................................................ ............................................................................... ................... 7 ESTUDIOS DEL TRANSITO PARA DISEÑO DE PAVIMENTO .................................... 7 ESTUDIOS DE SUELOS PARA DISEÑO DE PAVIMENTO .........................................8
1.4.7. 1.4.8. 1.4.9. 1.4.10.
ESTUDIO DE LA SUB RASANTE ............................................................... .................................................................................. ................... 8 LA SUB BASE GRANULAR ........................................................................................... ...........................................................................................8 LA BASE GRANULAR........................................................ GRANULAR.................................................................................................... ............................................9 CARPETA.......................................................................................................................9
INDICE DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE POR EL METODO DEL INSTITURO DEL ASFALTO ...... 3 INTRODUCCION ....................................................................... ............................................................................................................................ .....................................................3 1.1. DISEÑO DE ESPESORES ................................................................................................ 4 1.2. PAVIMENTO FLEXIBLES .................................................................................................. 4 1.3. PAVIMENTO CARAPTERISTICAS ............................................................................. .................................................................................... ....... 4 1.4. FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS .................................. 5 1.4.1. 1.4.2. 1.4.3. 1.4.4. 1.4.5. 1.4.6.
EL TRANSITO ................................................................................................................ ........................................................................................................... .....5 LA RASANTE ................................................................................................................. 6 EL CLIMA .................................................................. ....................................................................................................................... .....................................................6 LOS MATERIALES DISPONIBLES ............................................................ ............................................................................... ................... 7 ESTUDIOS DEL TRANSITO PARA DISEÑO DE PAVIMENTO .................................... 7 ESTUDIOS DE SUELOS PARA DISEÑO DE PAVIMENTO .........................................8
1.4.7. 1.4.8. 1.4.9. 1.4.10.
ESTUDIO DE LA SUB RASANTE ............................................................... .................................................................................. ................... 8 LA SUB BASE GRANULAR ........................................................................................... ...........................................................................................8 LA BASE GRANULAR........................................................ GRANULAR.................................................................................................... ............................................9 CARPETA.......................................................................................................................9
DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE POR EL METODO DEL INSTITURO DEL ASFALTO INTRODUCCION Este método método es un método método de diseño diseño clásico empírico a que ah sido sido reemplazado reemplazado por los métodos de diseño de las nuevas tendencias ya que se emplean factores de seguridad muy altos , lo que significa signific a espesores excesivos para necesidades verdaderas de la vía vía está basado principalmente principalmente el índice de grupo del suelo y el tráfico este método surgió debido al rápido deterioro de las carreteras desarrollando este método con la utilización del índice de grupo del suelo como una herramienta herramient a de clasificación clasifica ción junto con la capacidad capacidad de soporte soporte para obtener obtener así el espesor del pavimento. pavimento.
El gran incremento en frecuencia y tonelaje tonelaje de los transportes por carretera obligo obligo a abandonar el sistema antiguo de fijar el espesor de los afirmados con la generalización rutinaria de las instrucciones oficiales o el criterio formado en la experiencia del proyectista. Se fueron delimitando las variables que jugaban en el éxito o fracaso de las calzadas y como consecuencia, se sintió la necesidad de una completa información
Podemos decir que uno de los métodos clásicos de mayor difusión es el de california, determinante del CBR, índice de la resistencia del suelo. En primer lugar hay una gran diferencia entre a superficie de contacto de la carga, en la calzada y en el ensayo, y si bien esto no falsea el resultado para suelos de arcilla cohesiva, en cambio en terrenos arenosos da valores muy inferiores a la realidad. Otro de los fallos de este método se presenta en las arcillas finas de muy poca permeabilidad y por tanto muy lenta inhibición; en ellas el periodo de inmersión de la probeta puede no ser suficiente suficient e para alcanzar la humedad a que llegue a estar sometido el suelo en obra. Estas imperfecciones del ensayo CBR hacen que cada día gane más adeptos el método del estadiómetro , un ensayo triaxial de sistema cerrado, debido a Mr. Hveem Director del laboratorio de california Higway División, en el que las solicitaciones de probeta y suelo son más afines. A diferencia de los diferentes métodos existentes que requieren de costosos equipos de laboratorio existen existen otros métodos para ello es que está basada basada nuestra exposición exposición en la presentación de este este método que solo necesita para su medio medio un reducido material de ensayo además sirven de complemento.
cindirse de cualquiera de estas capas dependiendo de las necesidades particulares de cada obra. Un pavimento para cumplir adecuadamente sus funciones debe reunir los siguientes requisitos: Ser resistente a la acción de las cargas impuestas por el tránsito.
Ser resistente ante los agentes de intemperismo.
Presentar una textura superficial adaptada a las velocidades previstas de circulación de los vehículos, por cuanto ella tiene una decisiva influencia en la seguridad vial. Además, debe ser resistente al desgaste producido por el efecto abrasivo de las llantas de los vehículos.
Debe presentar una regularidad superficial, tanto transversal como longitudinal, que permitan una adecuada comodidad a los usuarios en función de las longitudes de onda de las deformaciones y de la velocidad de circulación.
Debe ser durable.
ra el cálculo. Además, se deben tener en cuenta las máximas presiones de contacto, las solicitaciones tangenciales en tramos especiales (curvas, zonas de frenado y aceleración, etc), las velocidades de operación de los vehículos (en especial las lentas en zonas de estacionamiento de vehículos pesados), la canalización del tránsito, etc.
1.4.2.
LA RASANTE
De la calidad de esta capa depende, en gran parte, el espesor que debe tener un pavimento, sea éste 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 del tránsito. 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 (hinchamiento - retracción). Los cambios de volumen de un suelo de sub rasante de tipo expansivo pueden ocasionar graves daños en las estructuras que se apoyen sobre éste, 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
sustancial en el módulo de elasticidad de las capas asfálticas, ocasionando en ellas y bajo condiciones especiales, deformaciones o agrietamientos que influirían en el nivel de servicio de la vía.
1.4.4.
LOS MATERIALES DISPONIBLES
Los materiales disponibles son determinantes para la selección de la estructura de pavimento más adecuada técnica y económicamente. Por una parte, se consideran los agregados disponibles en canteras y depósitos aluviales del área. Además de la calidad requerida, en la que se incluye la deseada homogeneidad, hay que atender al volumen disponible aprovechable, a las facilidades de explotación y al precio, condicionado en buena medida por la distancia de acarreo. Por otra parte, se deben considerar los materiales básicos de mayor costo: Ligantes y conglomerantes, especialmente. El análisis de los costos de construcción debe complementarse con una prevención del comportamiento del pavimento durante el período de diseño, la conservación necesaria y su costo actualizado y, finalmente, una estimación de futuros refuerzos estructurales, renovaciones superficiales o reconstrucciones.
vehículos pesados para condicionar las características del proyecto de carretera. Por consiguiente, el vehículo de diseño normal será el vehículo comercial rígido (camiones y/o buses). Conforme al Reglamento Nacional de Vehículos, se consideran como vehículos ligeros aquellos correspondientes a las categorías L (vehículos automotores con menos de cuatro ruedas) y M1 (vehículos automotores de cuatro ruedas diseñados para el transporte de pasajeros con ocho asientos o menos, sin contar el asiento del conductor).
1.4.6.
ESTUDIOS DE SUELOS PARA DISEÑO DE PAVIMENTO
En la Ingeniería de pavimentos se considera como roca a un agregado natural de granos minerales, unidos por grandes y permanentes fuerzas de cohesión. Por otra parte, se considera que suelo es una agregado natural de granos minerales, con o sin componentes orgánicos, que pueden separarse por medios mecánicos comunes, tales como la agitación en agua. Aunque estas definiciones son las que se utilizarán en este texto, es conveniente aclarar que en la práctica no existe una diferencia tan simple entre roca y suelo, pues, las rocas más rígidas y fuertes pueden debilitarse al
fuerzos en la sub rasante sea igualo menor que su propia resistencia, puede ser construido con materiales de alta calidad; sin embargo, es preferible distribuir las capas más calificadas en la parte superior y colocar en la parte inferior del pavimento la capa de menor calidad la cual es frecuentemente la más barata. Esta solución puede traer consigo un aumento en el espesor total del pavimento y no obstante, resultar más económica. Capa de transición: La sub base bien diseñada impide la penetración de los materiales que constituyen la base con los de la sub rasante y por otra parte, actúa como filtro de la base impidiendo que los finos de la sub rasante la contaminen menoscabando su calidad. Disminución de las deformaciones: Algunos cambios volumétricos de la capa sub rasante, generalmente asociados a cambios en su contenido de agua (expansiones), o a cambios extremos de temperatura (heladas), pueden absorberse con la capa sub base, impidiendo que dichas deformaciones se reflejen en la superficie de rodamiento. Resistencia: La sub base debe soportar los esfuerzos transmitidos por las cargas de los vehículos a través de las capas superiores y transmitidos a un nivel ade-
interior del pavimento. Resistencia: Su resistencia a la tensión complementa la capacidad estructural del pavimento.
1.4.11.
ESTUDIO DE TRANSITO PARA DISEÑO DE PAVIMENTO
Probablemente, la variable más importante en el diseño de una vía es el tránsito, pues, si bien el volumen y dimensiones de los vehículos influyen en su diseño geométrico, el número y el peso de los ejes de éstos son factores determinantes en el diseño de la estructura del pavimento. En este capítulo se presentan los elementos necesarios para cuantificar el
tránsito, así como la metodología para calcular el número probable de aplicaciones de una carga patrón equivalente que utilizará el pavimento durante la vida de éste.
Categoría de Vehículos Según el Ministerio de Transporte de Comunicaciones.
Categoría L. Vehículos automotores con menos de cuatro ruedas
Categoría M. Vehículos automotores de cuatro ruedas diseñados para el transporte de pasajeros con ocho asientos o menos, sin contar el asiento del conductor.
Categoría N. vehículos automotores de cuatro ruedas o más, diseñados y construidos para el transporte de mercancías.
Categoría O. remolques y semirremolques.
Categoría S.
1.4.12.
DISTANCIA DE VISIVILIDAD DE PASO O ADELANTAMIENTO
Es la mínima que debe estar disponible, a fin de facultar al conductor del vehículo a sobrepasar a otro que viaja a una velocidad menor, con comodidad y seguridad,
1.4.14.
METODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTO
En la Ingeniería de pavimentos se considera como roca a un agregado natural de granos minerales, unidos por grandes y permanentes fuerzas de cohesión.
El dimensionamiento de la estructura de un pavimento es un tema que preocupa a los técnicos de carreteras desde el comienzo de este siglo. Durante mucho tiempo, se han utilizado métodos que tienen gran correlación experimental y considerable tiempo de uso para su verificación. Estos métodos suelen clasificarse en tres grupos: Métodos totalmente empíricos, en los que generalmente se emplean factores de seguridad muy altos, lo que trae consigo que se obtengan espesores excesivos que no responden a las verdaderas necesidades de la vía en estudio. Ejemplo de ellos son los métodos fundados en una clasificación de los suelos, como el del Índice de Grupo. Métodos semi empíricos, basados en ensayos arbitrarios de laboratorio correlacionados con teorías más o menos razonables. Entre éstos se encuentran todos los basados en el ensayo CBR, el método de Hveem y el de Texas.
con el fin de aplicar un criterio estadístico para la selección de un valor único de resistencia del suelo. Teniendo en cuenta los volúmenes de tránsito de las carreteras de que trata el método de variabilidad de las condiciones y los resultados de los ensayos, así como algunos conceptos de tipo económico parece recomendable la elección de un valor de diseño tal, que el 75% de los valores de resistencia sean inferiores a él, lo que implica que es de esperar un deterioro prematuro hasta en el 25% del pavimento que se construya. El método de diseño pretende uniformizar los estudios de pavimentos en el país y lograr soluciones equivalentes mediante la utilización del catálogo donde todas las estructuras propuestas tienen iguales índices de serviciabilidad inicial y final. Los procedimientos para el diseño estructural de pavimentos asfálticos por este método de diseño es aplicable a carreteras y autopistas interurbanas y caminos rurales. No contempla los diseños de pavimentos para áreas urbanas ni los pavimentos de hormigón de cemento portland. Los diseños y metodología están basados en una combinación de métodos existentes,
combinaciones de capa de rodadura y bases de concreto asfáltico; de capa de rodadura y bases con emulsiones asfálticas, así como capas de rodadura asfáltica con base y subbase granulares. También considera al pavimento como un sistema elástico de varias capas y para su análisis emplea conceptos teóricos, experimentales y corridas de programa de cómputo, sin embargo con el objeto de simplificar el método, el Instituto de Asfalto propone una serie de ábacos que permiten la aplicación del método en forma rápida y sencilla.
1.5.1.
INSTITUTO DEL ASFALTO
Mediante esta metodología, se asume que las cargas en la superficie del pavimento producen 2 deformaciones que son consideradas críticas para el diseño. Estas deformaciones unitarias son:
La deformación horizontal de tensión ET en el fondo de la capa asfáltica más profunda, ya sea que se trate de concreto asfáltico o de una capa tratada con asfalto emulsificador.
La deformación vertical de compresión EC, en la parte superior de la capa de
Cada eje puede llevar en sus extremos un neumático, en cuyo caso se designa como neumático simple, o dos neumáticos, en cuyo caso se designa como neumáticos gemelos o duales. Los tipos de ejes legalmente reconocidos son: Eje simple: un único eje. Eje tándem: grupo de dos ejes sucesivos cuya distancia entre centros es menor a 2 metros. Eje tridem: grupo de tres ejes sucesivos cuya distancia entre centros es menor a 2 metros. Todos los materia es se caracterizan por el MODULO DE ESLASTICIDAD (Ea), (también llamado MUDULO DINAMICO (Mr)) Si son materiales granulares o suelos sin tratar) del cual valores específicos son seleccionados basados en la experiencia y estudio con datos de pruebas verdaderas. El modulo dinámico (Md), Modulo de elasticidad (Ea) de las mesclas asfálticas, es altamente dependiente de las temperaturas que se encuentre sobre el pavimento. Para simular los efectos de la temperatura y sus cabios a través del año, se selecciona valores apropiados de modulo dinámicos después de un estudio de la relación
A continuación se visualiza la tabla siguiente, para la conversión de cualquier carga y/o combinación de ejes y de neumáticos en un número total de pasadas del eje estándar.
En las normas de la dirección general de carreteras, para estudios de las condiciones del terreno, se incluye entre datos de suelos el factor de carga base entre los datos de suelos el factor de carga, base de otro método empírico que estimamos de mayor exactitud que el antes descrito. Se ha deducido este factor estudiando la correlación entre las características de identificación de un suelo y su índice de CBR a través del gran numero de ensayos realizados en los últimos años en os laboratorios franceses.
Se partió para ello de los suelos finos que se definen como los que tienen más de un 75%, que pasa por el tamiz numero 40, ósea más de un 75% de suelo mortero según la designación americana . Se jugó con los límites de Atterberg para conseguir la correlación, revelando un concienzudo análisis estadístico que existe cierta proporcionalidad entre el valor y la inversa del producto del límite lí-
El grupo II con CBR grande, y Z muy pequeño representa suelos arcillosos de gran finura, pero también dijimos que para este tipo de terrenos los índices del ensayo son superiores a aquellos con que puede contarse en obra, porque no se llega a la humedad a que puede estar sometido el suelo en el campo. Vemos pues que en ambos casos la ley fijada nos lleva a resultados más concordantes con la realidad. Se ha fijado para Z el valor máximo 10, ya que valores superiores corresponden a arenas finas, suelos pulverientos limpios y de muy poca o ninguna plasticidad, constituyen estos excelente material para bases y bien compactados puede asignárseles un índice CBR igual a 20. Así, pues y en el caso de suelos finos puede obtenerse de un método rápido un valor aproximado del índice del CBR, correspondiente
Para completar el método, se busco para su aplicación para suelos de granulometría gruesa, se prosiguió el análisis estadístico en una larga serie de ensayos de suelos de este tipo, contratados también con los resultados del ensayo california. Se obtuvieron así unas formulas que dan el valor F de un suelo en función del que corresponde a su parte final, o sea su mortero, según la definición citada. Si llamamos Fm al factor de carga del mortero y m al porcentaje de este contiene el suelo a estudiar, las formulas que deben aplicarse son: Si m > 25 %
F = Fm (2.5 - )
Si m < 25 %
F = 40 – (20 − )
Lo que nos muestra el gran descenso en la resistencia de un suelo cando disminuye la compacidad. Asignando un valor definitivo al factor F, el espesor de un firme de carretera puede calcularse con bastante aproximación por la formula: =
100 + 150√ 5+
En la que P es la carga máxima por rueda, expresada en toneladas, Pueden utilizarse también los ábacos americanos del CBR, eligiendo en la familia de curvas la que corresponde al caso, de acuerdo con el volumen de tráfico, carga por rueda, precipitación anual y profundidad de la capa freática. Resaltemos la utilidad del método que acabamos de definir, que con un equipo mínimo de laboratorio puede conducirnos a valores bastante aproximados de la resistencia de un suelo y, como consecuencia, del espesor del firme que debe establecerse sobre él.
1.5.6.
EVALUACION DE LOS MATERIALES
Para el diseño de los espesores de una sección estructural del pavimento flexible, el método actual del Instituto del Asfalto, considera como parámetro fundamental, dentro de la evaluación de los materiales, la obtención del Módulo de Resilencia (Mr) de la subrasante. Sin embargo, reconocen que no todos los organismos tienen el equipo adecuado para llevar a cabo tal prueba, por lo que han establecido factores de correlación entre Mr y la prueba estándar de Valor Relativo de Soporte CBR .Señalan que los resultados son bastante aproximados; sin embargo, para un diseño
Luego de la primera intervención la vida útil del pavimento, o “Período de Análisis”,
puede ser extendida indefinidamente, a través de mejoramientos sucesivos de rehabilitación, hasta que el pavimento sea obsoleto por cambios significativos en pendientes, alineamiento geométrico y otros factores.
En función del tránsito esperado sobre el pavimento en estudio, el método del Instituto del Asfalto recomienda los siguientes valores percentiles para calcular el Módulo de Resiliencia de diseño de la capa subrasante.
Valor percentil para el diseño de sub rasante Con las muestras de material obtenidas en el campo y con los resultados obtenidos en el laboratorio para determinar sus Módulos de Resiliencia, se deberá calcular el Mr de diseño de la capa subrasante, con los percentiles sugeridos en la tabla anterior. Para los requerimientos de compactación en las capas de base y subbase, el actual método proporcio-
En cuanto a requerimientos de espesores mínimos, en función del nivel de tránsito en ejes equivalentes, el método recomienda los siguientes valores: a) Para superficies de concreto asfáltico construidas sobre bases estabilizadas con emulsión asfáltica:
Espesor mínimo de para superficies de concreto asfáltico.
Podrá usarse concreto asfáltico o mezclas asfálticas emulsificadas Tipo I con un tratamiento superficial, sobre bases asfálticas tipo II o III. b) Para superficies de concreto asfáltico construido sobre bases granulares sin estabilizar:
Grados de asfalto de acuerdo el tipo de clima 1.5.10.
ESPESORES DE DISEÑO
Este método del instituto del asfalto, proporciona para el diseño final de los espesores de una estructura de pavimento, 9 figuras de diseño la 7-10 a la 7-18 en sistema métrico, decimal y 9 figuras de diseño de la 7-19 a la 7-27 en sistema inglés, las cuales cubren todas las variables que se puedan involucrar en el diseño y que fueron analizadas en párrafos anteriores.
1.1.1.
S
olución
· Tomando Ia deflexión característica como la admisible, se determina en la Figura 3. 15 que Nr=500. 000 ejes de 80 kN (8. 2 t).
· EI factor de crecimiento es: 500
.000
=
68.200
= 7.33
BIBLIOGRAFÍA FACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES. (Julio 2010). DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL - DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL, Buenos Aires. GUTIÉRREZ LÁZARES, J. W. (2007). MODELACIÓN GEOTÉCNICA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES CON FINES DE ANÁLISIS Y DISEÑO EN EL PERÚ. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL - SECCIÓN DE POST-GRADO, Lima LIZÁRRAGA LÓPEZ, J. M. (Octubre 2013). DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS FLEXIBLES APLICANDO GEOMALLAS DE POLIPROPILENO COMO SISTEMA DE R EFORZAMIENTO ESTRUCTURAL. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONÓMA DE MÉXICO - PROGRAMA DE MAESTRÍA Y DOCTORADO EN INGENIERÍA - INGENIERIA CIVIL Y CONSTRUCCIÓN, Mexico. .Sc. Ing. MENENDEZ ACURIO, J. R. (Diciembre 2009). INGENIERIA DE PAVIMENTOS Materiales, Diseño y Construccion. Lima, Peru: Publicaciones ICG. MONTEJO FONSECA, A. (2002). INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS. Bogota: Stella Valbuena de Fierro. CORONADO ITURBIDE, j. (2005) MANUAL CENTRO AMERICANO PARA DISEÑO DE PAVIMENTOS. Guatemala
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