Trabajo Final de Diseño de Pavimentos

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS

FACULTAD DE INGENIERAS Y CIENCIAS PURAS CARRERA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

DISEÑO DE PAVIMENTOS TEMA: METODOLOGIA DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS ING. DAVID SUPO PACORI

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COAQUIRA PACORI WILLIAN MARCO CACERES RAMOS JAVIER ACHAHUI PILCO GUILLERMO CHAPARRO ENRIQUEZ ESMELIN MAMANI SUAÑA JUAN CARLOS V III “A”

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METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS INDICE

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METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS INDICE

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1.1.-INTRODUCCIÓN Se dice que diseñar un pavimento es un arte; el arte de utilizar materiales que no Conocemos completamente, en formas que no podemos analizar con precisión, para que soporten cargas que no sabemos predecir, de tal forma que nadie sospeche nuestra ignorancia. Y es que, “de esa estructura compleja a la que llamamos pavimento, que

construimos muchos en muchas variedades, con distintos materiales, para muy diferentes usos, en muy diferentes terrenos y que usamos en todo momento, a fondo, lo ignoramos todo”. Así escribió el Maestro Alfonso Rico.

El pavimento es un caso típico de una estructura que la mayor parte de las veces se diseña gracias al éxito en la observación y en la acumulación de experiencia. Ahí tenemos los caminos de la civilización romana o los caminos pre-hispánicos en México (ver Figura 1). De esos caminos antiguos a las modernas autopistas, una misma actividad económica se mantiene: el Transporte Así también, se comparte, entre épocas pasadas y modernas, la necesidad de minimización de los costos de construcción y mantenimiento de esos caminos, preservando la infraestructura, para cumplimiento de su función. [1]

Fig.1 Caminos de la civilización romana [1] 3

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS Un pavimento debe ser diseñado de tal manera que las cargas impuestas por el tránsito no generen deformaciones permanentes excesivas. En el caso de los pavimentos flexibles

estas deformaciones se producen en cada una de las capas. Los métodos de diseño de pavimentos descritos en otros documentos suponen que las deformaciones permanentes ocurren solamente en la sub rasante. Sin embargo, en vías donde se construyen capas asfálticas delgadas o de baja rigidez las capas granulares soportan el esfuerzo aplicado casi en su totalidad y la magnitud de dichos esfuerzos puede llegar a generar valores altos de deformación permanente. Por lo tanto, las metodologías de diseño deben comenzar a tener en cuenta las deformaciones que se producen en estas capas, y los modelos para predecir dichas deformaciones, deben ser capaces de reproducir el comportamiento de estos materiales bajo diversas trayectorias de carga cíclica y condiciones del medio ambiente. [2] En caso de rígidos estos pavimentos se conforman por una sub base y por una losa de concreto hidráulico, la cual le va a dar una alta resistencia a la flexión Además de los esfuerzos a flexión y de compresión, este tipo de pavimento se va a ver afectado en gran parte los esfuerzos que tenga que resistir al expandirse o contraerse por cambios de temperatura y por las condiciones climáticas. Es por esto que su diseño toma como parámetros los siguientes conceptos [3] 

Volumen tipo y peso de los vehículos que transitaran por esa vialidad.



Módulo de reacción de la sub rasante.



Resistencia del concreto que se va a utilizar.



Condiciones climáticas.

Un pavimento de concreto o pavimento rígido rígido consiste básicamente básicamente en una losa de concreto simple o armado, apoyada directamente directamente sobre una base o sub base. La losa, debido a su rigidez y alto módulo módulo de elasticidad, absorbe gran parte de los esfuerzos esfuerzos que se ejercen sobre el pavimento pavimento lo que produce una buena distribución de las cargas de rueda, dando dando como resultado tensiones muy muy bajas en la sub rasante. Todo lo contrario sucede en los Pavimentos flexibles, flexibles, que al tener menor rigidez, transmiten transmiten los esfuerzos hacia las capas Inferiores lo cual trae como consecuencia mayores tensiones en la sub rasante, como se Pude apreciar en la figura 2. [4] 4


Figura 2 Esquema del comportamiento de pavimentos [4]

2.1.-METODOLOGÍAS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES La presente monografía monografía presenta diferentes metodologías para el análisis y diseño de estructuras de Pavimentos flexibles en el mundo, las tendencias actuales y el avance de herramientas computacionales en la ingeniería de pavimentos. Se discuten los alcances y limitaciones de dichas metodologías y tendencias, haciendo énfasis en el comportamiento de materiales granulares que conforman capas de base y sub base. [2] 2.2.-MÉTODOS DE DISEÑO EMPÍRICOS Las metodologías de diseño de pavimentos flexibles son generalmente de carácter empírico o mecánico – empíricas. En el caso de los métodos empíricos se correlaciona el comportamiento de los pavimentos in situ, a través de observaciones y mediciones de campo, con los factores que causan los mecanismos de degradación en estas estructuras. Los factores más importantes son las cargas impuestas por el tránsito, las condiciones ambientales (principalmente temperatura y precipitación) a las cuales se encuentra sometida la estructura, el tipo de suelo o terreno de fundación (sub rasante), la calidad de los materiales empleados y deficiencias

Durante el proceso constructivo. Todos estos factores son controlados y medidos durante las fases de estudio para correlacionarlos con los mecanismos de degradación y crear así el étodo de diseño. Dos son los mecanismos principales de degradación que se intentan controlar en las metodologías empíricas (y también en las mecanicistas): fatiga y exceso de deformación permanente. La fatiga ocurre en las capas ligadas, y para el caso de 5

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS estructuras flexibles, se presenta cuando se generan valores altos de deformación a

tracción en la zona inferior de la capa asfáltica. Este tipo de deformación es asociado a la respuesta resiliente que presenta la estructura cuando se mueven las cargas vehiculares. La deformación permanente es la deformación vertical residual que se va acumulando debido al paso de los vehículos la cual puede generar fallas estructurales o funcionales en el pavimento En las capas de rodadura y base asfáltica (compuestas por mezclas asfálticas de comportamiento viscoso) un incremento de temperatura genera disminución de la rigidez y por lo tanto un incremento en la deformación del pavimento. Las capas granulares juegan un papel importante en la generación de la deformación permanente cuando se dimensionan estructuras flexibles para vías de bajo tráfico. En est e

tipo de pavimentos las capas asfálticas no tienen una función estructural y las capas granuLares (base y sub base) soportan casi en su totalidad las cargas rodantes. Algunos ejemplos sobre evidencia teórica y experimental que demuestra que las capas granulares de base y sub base contribuyen en la acumulación de la deformación permanente en pavimentos flexibles (incluso en estructuras con capas asfálticas gruesas y

para vías de altos volúmenes de tránsito) puede ser consultada en [3] En el año 2000, dos estructuras de pavimento flexible s típicas de Islandia (denominadas

IS 02 e IS 03 como se presentan en la Figura ) fueron ensayadas en un “Simulador de Vehículo Pesado” (HVS por sus siglas en inglés). Las dos estructuras fueron diseñadas

acordando al método empírico noruego. El material de base y sub base consistió de quarry Holabrú (material granular de Islandia) y la sub rasante fue una arena estándar de Finlandia. En la Figura 3 se presentan los resultados del estudio y se observa que la capa que Experimentó mayor deformación fue la base [2]

6


Figura 3 Resultados de deformación de las estructuras ensayadas en un HVS [2]

Figura 4. Resultados de deformación de las estructuras ensayadas en un [2] 7

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS De manera similar a los ejemplos antes expuestos concluyen basados en ensayos a escala real sobre pavimentos flexibles, que entre el 30% y el 70% del desplazamiento superficial se Generó en las capas granulares. Similar conclusión (entre el 65% - 80%) es

reportada por Potts et albasados en resultados obtenidos sobre pistas construidas y monitoreadas en La Florida (USA). 2.2.1-DESVENTAJAS DE LOS METODOS EMPIRICOS Además de no tener en cuenta que parte de la acumulación de la deformación permanente Puede ser producida en las capas granulares de base y sub base, otros aspectos a tener en Cuenta en este tipo de metodología son: 

No permite ser adaptada a condiciones distintas a las que fueron estudiadas para su desarrollo e implementación. Incluso un cambio en las condiciones climáticas o de tránsito de la zona de estudio puede hacer que el método pierda confiabilidad en la predicción del dimensionamiento del pavimento. Lo grave de esta situación es que en el mundo la tendencia del parque automotor es incrementar en número y magnitud de cargas y en muchas ocasiones los pesos máximos permitidos para circular por carreteras son excedidos.



Si se requiere la utilización de materiales o estructuras distintas a aquellas empleadas durante el estudio in situ, extrapolar el comportamiento de los mismos a las condiciones estudiadas es costoso y de difícil determinación numérica y experimental.



Métodos de diseño de este tipo necesitan de gran inversión y tiempo para la realización ensayos a gran escala.

Lo anterior está generando que en el mundo se estén reemplazando los métodos de diseño 8

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS Empíricos por métodos de diseño basados en aproximaciones analíticas o mecanicistas. 2.3.-MÉTODOS DE DISEÑO ANALÍTICOS, MECANICISTAS O RACIONALES A diferencia de los métodos empíricos, los analíticos tienen en cuenta como el estado de esfuerzo y deformación que experimentan las capas que conforman la estructura del pavimento influyen en el comportamiento del mismo. Para el cálculo de esfuerzos y

deformaciones, emplean programas de computador disponibles desde la década de los 60’s En estos programas se introducen la carga, la presión de contacto, las propiedades

mecánicas de los materiales (por lo general el módulo elástico y la relación de Poisson) y el espesor de las capas del pavimento con el fin de obtener los estados de esfuerzo y

deformación. Una vez calculados estos estados, se comparan con aquellos que admite el pavimento para la vida útil proyectada, y en un procedimiento de ensayo y error (aumentando o disminuyendo por lo general los espesores de capas) se dimensionan las capas que conformarán la estructura de pavimento Los valores admisibles de deformación a tracción y vertical en la base de la capa asfáltica y en la superficie de la sub rasante respectivamente, se obtienen por medio de diversas

ecuaciones desarrolladas en instituciones de investigación como, AASHTO (American Asociation of State) Mayor información sobre métodos analíticos puede ser consultada en el manual de diseño de pavimentos del IDU & la Universidad de Los Andes [4] 2.3.1-DESVENTAJAS DE LOS METODOS MECANISTAS O RACIONALES A pesar de ser una metodología diferente a las empíricas, presentan connotaciones similares. Por ejemplo, el criterio de diseño en los métodos analíticos es el mismo: el pavimento falla por acumulación de deformación a tracción en la zona inferior de la capa asfáltica debido a ciclos de carga (fatiga) y por exceso de deformación vertical en la superficie de la capa de subrasante (es decir, no tienen en cuenta el efecto que puede

tener la acumulación de la deformación en las capas de base y sub-base granulares no tratadas). 9

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS Pero la principal desventaja de esta metodología radica en que el cálculo de los estados De esfuerzo y deformación se realiza por lo general suponiendo que el pavimento flexib le

es un sistema multicapa elástico lineal (compuesto por tres capas: la sub rasante, la capa granular no tratada y la capa asfáltica, Figura). Este comportamiento elástico se supone De manera simplista justificando que bajo algún ciclo individ ual de carga la deformación permanente es muy baja comparada con la deformación resiliente. Los parámetros elásticos pueden ser calculados por medio de ensayos de laboratorio o por medio de retrocálculos de ensayos in situ (empleando por ejemplo Falling Weight Deflecto meters – FWD). Por un lado las ecuaciones elásticas lineales no tienen en cuenta que el comportamiento de las mezclas asfálticas es viscoso (dependiente de la velocidad de aplicación de carga y de la temperatura) y en el caso de los materiales granulares no tratados de base y sub-base su Comportamiento es inelástico (deformaciones resilientes y permanentes) no lineal (rigidez Dependiente del nivel de esfuerzo aplicado) para los niveles de esfuerzos a los cuales se Encuentran sometidos en un pavimento flexible Además, dependiendo del tipo de material de subrasante, el comportamiento del suelo puede ser dependiente de la velocidad de carga (viscoso) como en el caso de muchas arcillas. [2]

Figura 5. Sistema multicapa elástico para el análisis de pavimentos. [2] Otras desventajas de las metodologías analíticas son: 10

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS 

Suponen que los materiales que componen cada una de las capas del pavimento son Isotrópicos y homogéneos.



Los programas analíticos no tienen en cuenta las diferentes geometrías que pueden Presentar las estructuras de pavimento (suponen extensión infinita de las capas en sentido horizontal) y la carga es estática.



En la mayoría de los casos los programas de computador no tienen en cuenta el efecto del medio ambiente sobre las propiedades mecánicas de los materiales utilizados.



Cuando se emplean ecuaciones elásticas se generan valores no reales de esfuerzos de tensión en las capas granulares (estáticamente no posibles) (Figura 6). Lo anterior especialmente en pavimentos con capas asfálticas delgadas [2]

Figura 6. Campo de esfuerzos (p,q) en la capa de base de un pavimento flexible Con espesor de capa asfáltica de 6 cm [2]

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METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS 3.1.-METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURA PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES 3.1.1.-DISEÑO DEL PAVIMENTO - MÉTODO SHELL Este método considera la estructura del pavimento como un sistema multicapa linealmente Elástico, bajo la acción de las cargas de tránsito, en el cual los materiales se encuentran caracterizados por su módulo de elasticidad de Young (E) y su relación de Poisson (μ). Los materiales de la estructura se consideran Homogéneos y se asume que las capas tienen una extensión infinita en sentido horizontal. El procedimiento básico supone al pavimento como una estructura tri-capa (Figura), en la que la capa superior corresponde a las carpetas asfálticas, la intermedia a las capas granulares y la inferior, que es infinita en sentido vertical, corresponde a la sub rasante. [7] El diseño consiste en elegir espesores de las capas asfálticas y granulares, y características de sus materiales (E, μ), de manera que se cumpla un determinado criterio de deformaciones. El método utiliza un programa BISAR de cómputo, el Cual permite calcular los esfuerzos y deformaciones que se producen en cualquier punto de la estructura y localiza las magnitudes máximas de ellos. Los criterios básicos para el diseño estructural son las siguientes: a. Si la deformación horizontal por tracción εt en la fibra inferior de las capas asfálticas supera la admisible, se producirá el agrietamiento de ellas. b. Si la deformación vertical por compresión en la subrasante εz es excesiva, se producirá una deformación permanente de la subrasante y por consiguiente del pavimento. Partiendo de estos conceptos, la SHELL ha logrado determinar las combinaciones de espesores de las diferentes capas del pavimento que

garantizan el

cumplimiento de los valores εt y εz durante el periodo de diseño. Para facilitar la aplicación del método por parte del diseñador, la SHELL ha elaborado una serie de gráficas de diseño a partir de los resultados de la aplicación de su programa de cómputo. 12

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS En una primera serie se presenta una combinación de espesores de las capas asfálticas (H1) y de las capas granulares (H2) para que se satisfagan los criterios de deformación horizontal por tracción εt. Los espesores a1 de capas asfálticas y a2 de capas granulares, combinados, cumplen con ese requisito.

FIGURA 7 línea que satisface el criterio εt [7] En una segunda serie (Figura) se presenta una combinación de espesores de las capas asfálticas (H1) y de las capas granulares (H2) para que se satisfagan los Criterios de deformación vertical por compresión εz. Los espesores a3 y a4, combinados, cumplen con este requisito.

FIGURA 8.linea que representa el criterio εz [7]

13


FIGURA 9. Línea que representa el criterio εz Y εt [7] Como se requiere cumplir simultáneamente los dos criterios (que ni se agrieten ni se deformen) es necesario fusionar las dos curvas en una Y es así como la presenta la SHELL. Con a5 de espesor de capas asfálticas y a6 de capas granulares se satisfacen los dos criterios. El de εz apenas cumple y por εt está sobrado. Con a7 de capas asfálticas y a8 de capas granulares hasta a9 para cumplir también el criterio de εz Pero no se cumple el de Et. Cuando esto sucede, se debe aumentar el espesor de las capas granulares hasta a9 para cumplir también el criterio de deformación por tracción. Es de anotar que no se aconseja considerar puntos a la derecha de donde se cruzan las curvas ya que por una pequeña reducción en el espesor de las capas asfálticas hay que aumentar bastante las capas granulares. 3.2.1-PARÁMETROS DE DISEÑO El presente documento pertenece a un estudio echo para diseñar una estructura de pavimento [7] 3.2.2.-PERIODO DE DISEÑO Se diseñara la estructura para un determinado tiempo para este caso 10 años

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METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS 3.2.3.-TRANSITO Se expresa como el número acumulado de ejes equivalentes de 8.2 ton. Por eje sencillo que se presentan en el carril de diseño y corresponden al calculado en el capítulo 7: N = 6.3E+06 3.2.4.-TEMPERATURA Las variaciones diarias y estacionales de la temperatura no presentan influencia significativa en el módulo de elasticidad de las capas granulares pero en cambio son muy importantes en las propiedades del asfalto, ya que éste un producto susceptible térmicamente y por lo tanto las mezclas que se construyan con él van a presentar un módulo de elasticidad diferente según el clima del lugar donde se construirá la obra. El comportamiento de una mezcla igual es diferente en clima frío que en caliente. A fin de considerar este efecto, el método desarrollará un procedimiento para estimar una temperatura media anual ponderada del aire (wMMAT) en la región del proyecto a partir de las temperaturas medias mensuales del aire (MMAT) y con ellos obtener unos factores de ponderación que se obtienen de la figura SE tienen los siguientes datos: MES Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

MMAT (ºC) 21.1 22.1 21.7 21.2 21.4 20.4 21.3 20.6 20.3 19.7 19.9 20.6

Factor

de

ponderación 1.2 1.4 1.3 1.2 1.3 1.1 1.3 1.1 1.1 1.0 1.0 1.1

FIGURA 10 Registro de temperaturas correspondientes a cada mes del año. [7] 15


Con este factor de ponderación se entra a la gráfica anterior y se lee el valor Ponderado de la temperatura: [7] 3.2.5.-RESITENCIA DE LA SUB RASANTE El método exige conocer el módulo de resiliencia. Con base en el CBR se puede determinar en términos de Kg/cm2 como: MR = 100 x 3.4 % (Kg/cm 2) = 340 Kg/cm2 Como las unidades usadas en este método para el método dinámico es Newton / m2, entonces: MR = 107*3.4% N/m2 = 3.4E+07 N/m2 3.2.6.-RESISTENCIA DE LAS CAPAS GRANULARES También se debe determinar la resistencia con base al módulo de elasticidad o módulo resiliente, que a su vez es función de las características del material, el espesor y la resistencia de apoyo. La SHELL emplea la misma correlación usada para la subrasante, o sea MR = N/m2

107.CBR

Originalmente éste módulo se da en términos de CBR, en tres zonas, de 20%,40% y 80%, respectivamente. [7] 3.2.7.-CARACTERISTICAS DE LA MESCLA ASFALTICA Aun cuando existan muchos tipos de mezclas asfálticas, la SHELL considera que son dos

las

propiedades

comportamiento.

16

fundamentales

de

ellas,

que

inciden

en

su

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS a. Módulo de elasticidad dinámico b. Resistencia de la mezcla a la fatiga, es decir a la acción repetida de las cargas. En cuanto al módulo de elasticidad dinámica el método distingue dos tipos de muestra; las S1 que son mezclas corrientes de concreto asfáltico de alta rigidez, con contenidos normales o promedios de agregados, de asfalto y de vacíos con aire. Las mezclas de tipo S2 son mezclas de baja rigidez, mezclas abiertas que tiene un alto contenido de vacíos con aire y un bajo contenido de asfaltos En cuanto a la fatiga el método distingue dos tipos de mezcla: Las F1 que tienen alta resistencia y que tienen cantidades moderadas de vacíos con aire y de asfalto, y las F2, de baja resistencia y que tienen alto volúmenes de vacío con aire. El método considera únicamente dos tipos de cemento asfáltico, para la elaboración de las mezclas asfálticas; los de penetración 50 ( mm) que se emplean en climas calientes y los de penetración 100 que se emplean en climas fríos. Con base en lo anterior, la SHELL reconoce para el diseño ocho tipos de mezclas asfálticas y presenta gráficas de diseño diferentes para cada una de ellas, estas son: S1 F1 – 50 S1F2 – 50

S2F1 – 50 S2F2 – 50

S1F1 – 100 S1F2 – 100

S2F1 – 100 S2F2 – 100

3.2.8.-DETERMINACION DE LA MESCLA ASFALTICA Para determinar el tipo de mezcla asfáltica, la SHELL presenta una serie de gráficas que están en función de ensayos rutinarios de laboratorio. El procedimiento a seguir considera los siguientes pasos: a. Determinación del índice de penetración de la temperatura T800 del asfalto: Con el asfalto que se va a usar en la construcción se hacen varios ensayos de penetración a diferentes temperaturas para determinar su susceptibilidad térmica y con ayuda de la gráfica de HELKELLOM (Figura 23) se halla el índice de 17

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS penetración (IP) que es una medida de la susceptibilidad térmica del asfalto, y también el T800 que es la temperatura a la cual la penetración es de 800 décimas de milímetro. Para el presente proyecto se obtuvieron los siguientes valores de penetración a distintas temperaturas: Temperatura (ºC) 25ºC 5 30ºC

Penetración (0.1mm) 6

9

9 Con los valores de penetración localizados en la gráfica para las temperaturas de ensayo se traza una recta que se prolonga hasta cortar la horizontal correspondiente a una penetración de 800 y allí se lee una temperatura T800 = 49ºC

Figura 11. Determinación de T 800 e IP [7] 18

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS Por el punto A dado en la gráfica se traza una paralela a la línea que une los puntos correspondientes a las penetraciones obtenidas a las temperaturas de ensayo. Dicha paralela corta la escala que indica el índice de penetración de IP= -0.60 b. Determinación de la rigidez del asfalto a la temperatura de trabajo en obra: Se emplea en la gráfica de VAN DER POEL (Figura 24) Para ello es necesario conocer: - Índice de penetración. - Tiempo de aplicación de carga. La SHELL recomienda emplear un tiempo de 0.02 s. Que corresponde a una velocidad del vehículo de 50 – 60 Km/h - ΔT = T800 – Tmezcla.

figura 12 Nomograma de VAN DER POEL para determinar el módulo dinámico del asf alto. [7]

Siendo Tmezcla la temperatura de la mezcla que es función de la temperatura ambiente y se obtiene de la gráfica de la figura 25. Con la temperatura media anual w – MMAT se va al punto medio entre los espesores mínimos y máximos de las carpetas asfálticas ya que en el proceso de diseño aún no se conocen los espesores, allí se obtiene un 19

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS Tmezcla = .3ºC. = 49 – 28.3 = 20.7ºC Con estos valores se entra a la figura 24 partiendo de la parte inferior con un tiempo de aplicación de 0.02, uniendo con ΔT = 20.7ºC y prolongando hasta IP = -0.6; de ahí se sigue paralelamente a las curvas hasta llegar a la parte superior donde se lee un módulo de elasticidad dinámica del asfalto de 5 x 106 N/m2. ΔT

∴

Fig 13. Relación entre temperatura efectiva de las capas asfálticas y de la mescla. [7] 20


c. Determinación del módulo de elasticidad dinámica de la mezcla asfáltica: Se emplea en la gráfica de HEUKELOM (Figura 26) y para ello es necesario conocer, además del módulo de de elasticidad dinámica del asfalto, la composición volumétrica de la mezcla asfáltica de acuerdo con el diseño de ella en el laboratorio. En el presente caso, la dosificación según el diseño de mezclas (Anexo 3) es el siguiente: Agregados:

84.9%

Asfalto: 10.05% Aire: 5.1% Se entra a la gráfica partiendo del módulo de elasticidad dinámica del asfalto (5 x 106 N/m2), volumen de asfalto 10.05%, volumen de agregado 84.9%; se obtiene un módulo de elasticidad dinámico de la mezcla de 1.3 x 10 9 N/m2.

Figura 14 Nomograma para el cálculo del módulo dinámico de HEUKE LO M. [7]

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METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS d. Determinar si la mezcla es del tipo S1 o S2: Se emplea la figura 27 en la cual se ubica el punto de confluencia del módulo de elasticidad dinámica del asfalto y de la mezcla. Con módulo de elasticidad dinámica del asfalto de 5 x 106 N/m2 y módulo de elasticidad dinámica de la mezcla de 1.3 x 10 9 N/m2.

Figura 15 Relaciones entre la rigidez de la mezcla y la rigidez del as falto [7]

Se observa que el punto de confluencia se halla más cerca de la curva S1, por consiguiente este es el tipo de mezcla que hay que adoptar.

e. Determinación de la deformación máxima admisible de tracción en la fibra inferior de las capas asfálticas: Se emplea la figura 28 se entra a ella con módulo de elasticidad dinámica de 22

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS 1.3 x 109 N/m2, volumen del asfalto (10.05%) se prolonga la línea que los une hasta el marco del cuadro, de allí se traza una horizontal hasta hallar la recta que corresponde al tránsito expresado como N de allí se traza una vertical hasta hallar en la abscisa inferior la deformación horizontal por tracción que es εt = 3 x 10-4.

Figura 16. Nomograma de fatiga basado en Smix y

Vb

[7]

f. Determinar si la mezcla es del tipo F1 o F2: Se emplean las gráficas de la figura 29, en ambas gráficas se busca el punto de confluencia entre el módulo de elasticidad dinámica de la mezcla (1.3 x 10 9 N/m2) y la deformación por tracción εt. εt = 3 x 10-4 en la primera gráfica que corresponde al tipo F1, el punto de

confluencia corresponde a un N = 2.0 x 106 ejes equivalentes y en la segunda gráfica que corresponde al tipo F2 se encuentra un N = 3.0 x 10 5 ejes equivalentes. Se adopta el F1 ya que queda más cerca del dato del ejemplo que es N = 6.3 x 106 ejes equivalentes. 23


Figura 17 Características de fatiga para asfalto tipo F1 y para asfalto tipo

F2

[7]

g. Identificación del tipo de mezcla: Combinando lo obtenido en los apartes d y f se concluye que la mezcla es del tipo S1F1 a la que hay que adicionarle el tipo de asfalto empleado con base a la penetración obtenida. Como en el ejemplo se tiene un valor de 65 para 25ºC se adopta el 50 (solo se puede escoger 50 o 100) ya que está más próximo al del ensayo que el 100. En conclusión el tipo de mezcla asfáltica o código será S1F1 – 50 Si se presentan incertidumbre en cuanto al código de la mezcla, en especial en cuanto a la combinación de las características de módulo de elasticidad dinámica y fatiga, debe adoptarse algún margen de seguridad, considerando por

ejemplo

diferentes códigos de mezcla y comparando los espesores obtenidos y seleccionando los definitivos de diseño con base en el buen criterio [7] 24

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS DISEÑO ESTRUCTURAL Las gráficas de diseño permiten determinar los espesores necesarios de la capas granulares y asfálticas en función de 4 parámetros, como son: •

Clima considerado por la w-MMAT, (20.6ºC).

• • •

Módulo de elasticidad de la subrasante, 340 Kg/cm 2. Código de la mezcla, S1F1-50. Tránsito, 6.3+E06 ejes equivalentes.

El uso de cualquier gráfica requiere el conocimiento de 4 parámetros de las cuales tres son siempre fijos, cualquiera que sea la gráfica empleada. El juego de gráficas básicas de diseño SHELL (Gráficas HN1 a 128) muestra los espesores totales de las capas granulares (h2). En ellas el parámetro variable es N siendo los valores fijos la temperatura w-MMAT, MR de la subrasante y el código de la mezcla. Con el fin de facilitar la interpolación entre los diversos parámetros de diseño la SHELL ha preparado otros juegos de gráficas, derivados todos ellos de las curvas HN. Para el presente caso, se necesitará hacer interpolaciones para poder hallar las dimensiones de la estructura del pavimento con los parámetros descritos anteriormente Las cartas NH 17 y HN 25 con Código de mezcla S1F1-50, y MR 2.5 x 10 7 servirán de ayuda para interpolar las dimensiones de la estructura del pavimento, según sus respectivos w-MMAT de 20ºC y 28ºC. Posteriormente se interpolarán las dimensiones del pavimento con respecto a la variación de los módulo resilientes entre 2.5 x 107 y 5.0 x 107. Los valores a analizar con los MR de 5.0 x10 7 están contenidos en las cartas HN49 y HN57. Alternativa Inicialmente tomamos de las cartas HN17, HN25, HN 49 y HN57 los valores de las dimensiones de la capa de asfalto para un Número de ejes equivalentes de 6.3+E06. 25


Figura 18.HN17 para alternativa [7] Figura 19. HN25 para alternativa [7]

26


Figura 21. HN49 para alternativa [7] Figura 22. HN57 para alternativa 1 [7]

27

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS Tenemos los siguientes valores: En la carta HN17 un espesor de 260mm En la carta HN25 un espesor de 390mm Interpolando temperaturas tenemos que para 20,6ºC, un espesor de 269.7mm, con CBR 2.5% En la carta HN49 un espesor de 220mm En la carta HN57 un espesor de 330mm Interpolando temperaturas tenemos que para 20,6ºC, un espesor de 228.25mm, con CBR 5.0% Interpolación final: Para un CBR de 3,4% y 20,6ºC, un espesor pleno de 254.78mm

Determinamos la estructura De este modo tenemos las siguientes estructuras según las condiciones: Para la carta HN17: Módulo de la subrasante: 2.5 x 107 N/m2. W-MMAT: 20ºC • N = 6.3E+06 ejes equivalentes ESPESORES DE CAPAS GRANULARES Alternativa Sub-base Sub-base Sub-base Base • •

1

CBR≥10 0

CBR≥20 0

CBR≥40 0

Para la carta HN25: Módulo de la subrasante: 2.5 x 107 N/m2. W-MMAT: 28ºC • N = 6.3E+06 ejes equivalentes • •

28

CBR≥80 0

CONCRETO ASFÁLTICO 260


Alternativa

ESPESORES DE CAPAS GRANULARES Sub-base Sub-base Sub-base Base CBR≥10 0

1

CBR≥20 0

CBR≥40 0

CBR≥80 0


Para la carta HN49: Módulo de la subrasante: 5.0 x 107 N/m2. W-MMAT: 20ºC

• •

N = 6.3E+06 ejes equivalentes ESPESORES DE CAPAS GRANULARES Alternativa Sub-base Sub-base Sub-base Base •

CBR≥10 0

1

CBR≥20 0

CBR≥40 0

CBR≥80 0


Para la carta HN57: Módulo de la subrasante: 5.0 x 107 N/m2. W-MMAT: 28ºC

• •

N = 6.3E+06 ejes equivalentes

•

Alternativa 1


CBR≥20 0

CBR≥40 0

Interpolaciones para las condiciones del proyecto: • Módulo de la subrasante: 3,4 x 10 7 N/m2.

29

•

W-MMAT: 20.6ºC

•

N = 6.3E+06 ejes equivalentes

CBR≥80 0



Alternativa 1


CBR≥20 0

CBR≥40 0

CBR≥80 0

CONCRETO ASFÁLTICO 255*

* Se redondea a 255mm para mantener una dimensión comercial. [7]

3.3.1.-DISENO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR METODOLOGÍA RACIONAL Esta monografía presenta los datos necesarios para la aplicación del método de diseño racional. Los datos se clasifican en cuatro categorías 

El transito



Los parámetros de base de cálculo: Trata de los parámetros de cálculo cuya escogencia de valores se basan en el análisis de la función económica de la calzada del pavimento.



Los datos climáticos y del ambiente: Esto agrupa los datos descriptivos de las condiciones climáticas del sitio del proyecto que tienen una influencia directa sobre la selección de las variables de cálculo.



Los Parámetros descriptivos de los materiales: Este conjunto corresponde a las propiedades de los materiales de calzada y del soporte que son necesarias en el cálculo de estructura de la calzada, en base a los módulos dinámicos, coeficiente de Poisson y leyes de fatiga. [8]

3.3.2.-EL TRANSITO El conocimiento de los vehículos pesados interviene en: 

Como el criterio de la selección de las calidades de ciertos constituyentes que entran en la fabricación de los materiales de la calzada por ejemplo: La dureza de los granulares.



Como parámetro de entrada para el análisis mecánico del comportamiento a la fatiga de la estructura de calzada.

Son definidos como pesos pesados los vehículos cuya carga útil es superior o igual a 5 Toneladas. Una primera información sobre el volumen diario del tránsito de vehículos pesados 30

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS generalmente es suficiente sin necesidad que se detalle su composición y esta información debe referirse a la noción de la clase de tránsito. Para el cálculo del dimensionamiento, este tránsito acumulado sobre la duración inicial de vida se tomará en cuenta en consideración a través de la noción del tránsito equivalente. La clase de tránsito está determinada a partir del tránsito de los vehículos pesados por sentido teniendo en cuenta el promedio anual diario para la vía más cargada en el año de puesta en servicio. En el caso de calzadas de dos vías de pequeño ancho, inferior a 6 m, para tener en cuenta el recubrimiento de las bandas de rodadura se tendrá en cuenta la regla siguiente para calcular el tránsito anual diario promedio. [8]

3.3.3.-EL TRANSITO EQUIVALENTE Para el cálculo del dimensionamiento de la calzada el tránsito se caracteriza por el número equivalente de ejes de referencia correspondiente al tránsito de vehículos pesados acumulados en la duración inicial del cálculo retenido (vida útil). El eje de referencia es un eje simple con ruedas gemelas cuya carga es de 130 kilo newton. El número de ejes equivalente es función de los valores de los conteos del tránsito en el año de puesta en servicio de este, de la tasa de crecimiento durante la duración de vida, de la composición del tránsito y de la naturaleza de la estructura de la calzada. Se calcula teniendo en cuenta la siguiente relación: NE = N x CAM ( factor camión) N : numero acumulado de pesos pesados para el período de cálculo de P años CAM : agresividad media de los pesos pesados con relación al eje de referencia.

Cálculo del número total N de pesos Pesados.

N = 365 x MJA xC C : factor acumulado en el período de

cálculo MJA : tránsito pesado promedio anual diario. Para P años y una tasa de crecimiento geométrica t constante sobre este período se obtienen el valor de C por la fórmula siguiente:

31

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS 3.3.4.- VALOR DE COEFICINETE DE AGRESIVIDAD CAM La configuración de ejes (tandem, tridem) con ruedas (simples o gemelas) y su carga son variables de un peso pesado con respecto a otro. Para una carga dada los esfuerzos y las deformaciones en la calzada a un cierto nivel son función de la estructura de la misma, del comportamiento en la fatiga y de los daños que pueda provocar la aplicación de una carga dada, la cual depende de la naturaleza propia de los materiales. Un peso pesado no tendrá la misma agresividad si circula sobre una calzada bituminosa flexible o sobre una calzada que está compuesta y tratada por capas con ligantes hidráulicos.

3.3.5.-METODOLOGIA PARA EL DISEÑO Comprende las siguientes etapas

ETAPA DE PREDIMENCIONAMIENTO Una vez reunidos los datos para el cálculo se procede a una primera selección de la capa de rodadura y a un pre dimensionamiento de la estructura por referencia con otras vías comparables.

ETAPA DE CALCULO DE ESTRUCTURA Se calculan los esfuerzos y las deformaciones por el modelo matemático de la estructura de calzada pre dimensionada en la etapa uno, teniendo en cuenta que el eje de referencia es de 130 kilo-Newton, cada sami-eje está compuesto por un eje de ruedas gemelas representado por dos cargas que ejercen una presión uniformemente repartida de 0.662 Mpa sobre dos discos de 0.125 m de radio y con una separación entre ejes de 0.375 m.

ETAPA DE VERIFICACION DE FATIGA DE LA ESTRUCTURA DE LAS DEFORMACIONES DEL SOPORTE La verificación es hecha comparando los esfuerzos y las deformaciones calculadas en la etapa 2 con los valores admisibles. Estos valores límites son determinados en función:    

32

Del tránsito acumulado sobre el período de cálculo considerado. Del riesgo de ruina admitido para este período. De las características de resistencia por fatiga de los materiales. De los datos de observación del comportamiento de calzadas del mismo




tipo. Efectos térmicos.

Este último punto se traduce en la introducción de un coeficiente que se llama ajuste que permite tener en cuenta globalmente todos los efectos que el modelo matemático no puede representar debido a las simplificaciones hechas y de otra parte a la representatividad de los ensayos de laboratorio que describen las propiedades de los materiales.

ETAPA DE AJUSTE DE LOS ESPESORES Los espesores de capa determinados siguiendo la etapa tres deben ser ajustados para:   

Tener en cuenta las facilidades tecnológicas de hacer espesores mínimos y máximos que dependen de los equipos que se utilicen. Reducir los riesgos de defectos de la liga entre las interfaces y limitar el número de capas Asegurar una protección suficiente de las capas tratadas para tener en cuenta fenómenos como el de las fisuras particulares que no pueden ser determinadas en base al modelo matemático

3.3.6.- DISEÑO PARA LAS DIFERENTES ESTRUCTURAS En este capítulo para cada técnica se explica la metodología.   

La modelización retenida para los [8]cálculos. Los criterios retenidos para el diseño. Las etapas de metodología dimensionamiento.

de

Verificación común de la subrasante y de las capas no ligadas Estos criterios comunes, indicados para las diferentes estructuras no serán repetidos en los párrafos siguientes:

Suelo soporte Para las diferentes estructuras de la calzada se verificará que el Ahuellamiento permanezca inferior al valor retenido como admisible. A falta de otros datos se tomará esta verificación teniendo en cuenta los criterios sobre la deformación vertical z de la forma z,ad = f(NE): 33

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS CALZADAS DE TRANSITO MEDIO A ELEVADO (T ≥ T3) z,ad = 0.012 (NE)-0.222 CALZADAS DE BAJO TRANSITO (T < T3) z,ad = 0.016 (NE)-0.222

Para el número de ejes equivalentes se tomará el valor del coeficiente de agresividad de la siguiente figura Clase T1 T2 T3 T4 T5 0,4 0,5 0,7 0,8 1 CAM

Figura23 . Valores del Coeficiente de Agresividad Media según el Tránsito [8] CAPAS GRANULARES En el caso de calzadas de tránsito bajo (Tránsito acumulado inferior a 250.000 ejes estándar) compuestos de una capa de rodadura de pequeño espesor sobre una capa granular no tratada no se introducirá el criterio de cálculo para el material de la capa. En los otros casos la calzada bituminosa sobre la fundación en grava no tratada en el caso de la estructura inversa se procederá a hacer la verificación del ahuellamiento en la parte alta de la capa granular no tratada según los criterios retenidos para este mismo tipo de capas y los retenidos para el suelo soporte. [8]

4.1.1.-METODOS DE DISEÑO PARA ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS RIGIDOS 4.2.1.-METODO DE LA PORTLAND CEMENT ASSOCIATIO (PCA) El procedimiento de diseño de la PCA está basado en información obtenida de diferentes fuentes, incluyendo investigaciones, desarrollos teóricos, ensayos de pavimentos a escala real, y el monitoreo de la performance de pavimentos en servicio. Un programa de investigación llevado a cabo por la Portland Cement Association correlacionó la información de diseño de estas fuentes obteniendo como resultado un procedimiento desarrollado únicamente para pavimentos suelo- cemento. [10]

4.2.2.-BASES PARA EL PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE ESPESORES Desde 1935 más de 140,000 km de pavimentos suelo-cemento han sido construidos en Norteamérica. La performance demostrada por estos pavimentos a través de los años provee una valiosa información para el diseño, para los niveles de espesor que fueron utilizados. La mayoría de estos pavimentos en servicio son de 15 cm de espesor. Este espesor ha probado ser satisfactorio para las condiciones de servicio de caminos 34

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS secundarios, calles residenciales y pistas de aterrizaje de tráfico ligero. Algunos pavimentos de 10 cm y 12.5 cm han sido construidos y han dado un buen servicio bajo condiciones favorables de tráfico ligero y fuerte resistencia del suelo. Muchos kilómetros de pavimentos de 17.5 cm y 20 cm de espesor están en servicio en caminos principales y vías secundarias de alto tráfico. Pavimentos con suelo- cemento con espesores de 22.5 cm o mas no son numerosos, aunque algunos proyectos de aeropuertos han sido construidos con espesores de hasta 40 cm. En carreteras interestatales en algunas áreas de tráfico comparativamente más bajos, un amplio rango de espesores de suelo-cemento, de 10 a 30 cm, han sido incorporados en la estructura total de los pavimentos. Se ha obtenido también información valiosa de diseño de ensayos de caminos a escala real y de investigaciones de laboratorio conducidas por universidades, departamentos de carreteras, y por la Portland Cement Association.

4.2.3.-PROPIEDADES ESTRUCTURALES BASICAS Las propiedades estructurales del suelo-cemento dependen del tipo de suelo, condiciones de curado, y edad. Los rangos típicos para una amplia variedad de tipos de suelo-cemento, a sus respectivos contenidos de cemento requeridos para durabilidad, son: Propiedad

Valores a 28 días

Resistencia a la compresión, saturada Módulo de ruptura Módulo de elasticidad (módulo estático a la flexión) Relación de Poisson Radio de curvatura crítico, en viga de 6 x 6 x 30 pulg.

400 - 900 psi 80 - 180 psi 600,000 - 2’000,000 psi 0.12 – 0.14 4,000 – 7,500 pulg.

FIG24. Rangos típicos [10] A lo largo de la vida de diseño de un pavimento de suelo-cemento la resistencia promedio será considerablemente mayor que los valores para 28 días. La Figura 1 muestra la ganancia de resistencia de laboratorio para 5 años, para diferentes tipos de suelo-cemento y la Figura 2 muestra el incremento de la resistencia con muestras de campo, para cuatro proyectos para varios periodos de tiempo. Este incremento de la resistencia provee un margen de seguridad en el procedimiento de diseño del espesor.

35


Figura25. Incremento de la resistencia con la edad, especímenes de laboratorio [10] 4.2.4.-CARACTERISTICAS CARGA - DEFLEXION Características carga-deflexión La investigación carga-deflexión en pavimentos suelo-cemento mostró que fue posible describir la respuesta por medio de una simple ecuación, a pesar del tipo de suelo y contenido de cemento, tanto como el producto cumple los requisitos para suelo-cemento totalmente endurecido

36


Figura 26. Incremento de la resistencia con la edad, proyectos en servicio. [10] Esta investigación también demostró que la resistencia del pavimento es evaluada más exactamente por el grado de flexión antes que por las medidas de deflexión solamente. Por esta razón, el radio de curvatura en lugar que la deflexión fue empleado como factor principal en el desarrollo de las formulaciones de diseño.

4.2.5.-PROPIEDADES DE FATIGA Los estudios de fatiga revelaron que, para un diseño dado, el número de repeticiones de carga hasta la falla estuvo relacionado con el radio de curvatura a la flexión. Esta correlación probó ser similar al conocido comportamiento a la fatiga de otros materiales. El efecto del tipo de suelo fue significativo en los resultados a la fatiga. Se requirió la división de los suelos en dos amplios tipos de textura, suelos de gradación granular y suelos de gradación fina, y el correspondiente empleo de cartas de diseño por separado para las respectivas mezclas de suelo-cemento. Como se muestra en la Tabla 1, los dos tipos 37

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS pueden ser diferenciados por los grupos de suelos del sistema de clasificación del la American Association of State Highway and Transportation Officials, como sigue: 1. Suelos granulares – Grupos A-1, A-3, A-2-4, y A-2-5 2. Suelos de gradación fina – Grupos A-2-6, A-2-7, A-4, A-5, A-6, y A-7.

FIG 27 .Sistema de Clasificación AASHTO dividido para el procedimiento de diseño para Suelo-Cemento [10] 4.2.6.- PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Los factores analizados para determinar el espesor de diseño son: 1. Resistencia del suelo. 2. Periodo de diseño del pavimento. 3. Trafico, incluyendo volumen y distribución de pesos por eje (configuración de cargas de ejes simple y tándem, de camiones convencionales). 4. Espesor de la capa de base suelo-cemento. 5. Espesor de la capa bituminosa superficial.

38

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS RESISTENCIA DEL SUELO El soporte proporcionado por el suelo al pavimento de suelo-cemento es el elemento más importante en el procedimiento de diseño. El soporte del suelo es medido en términos del módulo de Westergaard de reacción del suelo k , el cuál se determina mediante ensayos de placa sobre el terreno. El procedimiento para la medición en campo de los valores de k esta dado en el Manual Técnico del Ejercito TM5-824-3. En caso que no este disponible el equipo para la determinación del valor-k mediante el ensayo de placa, las relaciones aproximadas listadas en la Tabla 2 pueden ser utilizadas a modo de guía; ellas están basadas en ensayos de laboratorio sobre tipos generales de suelos. Desde que estas relaciones son aproximadas y frecuentemente influenciadas por variaciones en los métodos de ensayos, podrán ser modificadas de acuerdo a la práctica local. Suelos muy blandos que tengan valores de resistencia significativamente menores que los valores de soporte mostrados en la Tabla 2, no serán capaces de soportar el equipo necesario para alcanzar una adecuada compactación del suelo-cemento. Estos suelos deberán ser mejorados mediante diversos métodos descritos en el Manual de Construcción de Suelo-Cemento de la PCA.

Tabla 28. Relaciones entre Tipos de Suelos y Valores de Soporte [10] Rango del Resistencia Rango de Rango del Tipo de Suelo Módulo k del Suelo CBR* (%) Valor R** (lb/pulg3) ue os e grano no en los cuales predominan los tamaños de partículas de limo y

Baja

3a6

8 a 27

100-150

Arenas pobremente graduadas y suelos que son predominantemente arenosos con cantidades moderadas de limo y arcilla Suelos gravosos, arenas bien graduadas, y mezclas de arenas y gravas, relativamente libres de finos plásticos

Media

6 a 10

27 a 45

150-200

Alta

Mas de 10

50 o mas

200 o mas

* California Bearing Ratio ** Valor de Resistencia determinado con Estabilómetro 39

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS PERIODO DE DISEÑO El periodo de diseño seleccionado convencionalmente por el procedimiento es de 20 años. Sin embargo este valor no hay que confundirlo con la vida de servicio de los pavimentos con suelo-cemento. Proyectos que han sido construidos a mediados y finales de 1930’s muestran que sus vidas útiles no han sido excedidas, y que las capas de suelo-cemento aún siguen funcionando como principal elemento que soporta las cargas. Debido a que la selección del periodo de diseño es algo arbitrario y que la formulación del diseño no es particularmente sensible a las variaciones en el periodo de diseño, el diseñador puede seleccionar un valor diferente de este y proporcionar el volumen total de tráfico en forma concordante.

TRÁFICO Los pesos y volúmenes de las cargas por eje esperados durante el periodo de diseño son los factores más importantes en la determinación del espesor de diseño. El análisis de tráfico usado en este procedimiento incluye: a)

Determinación del tráfico promedio diario en ambas direcciones (TPD) y los porcentajes de camiones. b) Proyección del tráfico al futuro periodo de diseño. c) Determinación de la distribución probable eje-carga. d) Cálculo del Factor de Fatiga. Sin embargo, cualquier otro método 4 que proporcione una razonable estimación de estos factores de tráfico pueden ser empleados.

TPD Y PORCENTAJE DE CAMIONES El tráfico promedio diario en ambas direcciones y el porcentaje de camiones puede ser obtenido directamente de una encuesta del tráfico del proyecto, o de datos que pueda estar disponible en el Departamento de Transportes o Municipalidad, para el proyecto específico o para otros proyectos que tienen un tráfico similar Si se efectúan conteos de tráfico de 24 horas, estos son efectuados durante uno o más días entre lunes y viernes. Los conteos de 24 horas son ajustados a valores promedio diarios. Como una guía para efectuar estos ajustes puede consultarse la sección de planificación de encuestas del Departamento de Carreteras

PROYECCION DEL TRÁFICO Las tasas de crecimiento del tráfico y los factores de proyección correspondientes son empleados para estimar el Trafico Promedio Diario (TPD) de diseño y el número de camiones que emplearán el pavimento durante el periodo de diseño. Las secciones de planificación de encuestas de los departamentos estatales de carreteras son fuentes muy útiles para conocer el crecimiento del tráfico y los factores de proyección. Los 40

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS ingenieros determinan estos factores para proyectos de carreteras estatales y, en algunos casos, para caminos locales y calles, y otros proyectos dentro de sus estados. La Tabla 3 muestra las relaciones entre las tasas anuales de crecimiento y los factores de proyección de 20 años El crecimiento del tráfico anual varía de 2 a 6 por ciento, siendo los valores más bajos más aplicables a los tipos de caminos y calles donde se emplea comúnmente el suelo-cemento. Las tasas de crecimiento más altas son para carreteras urbanas y entre ciudades. Para caminos rurales secundarios rurales de dos carriles y calles residenciales donde la función principal es el uso de la tierra o el servicio de propiedad contiguo, las tasas de crecimiento de tráfico pueden ser bastante más bajas que 2 por ciento. Para calles residenciales y calles colectoras de tráfico ligero, el crecimiento del tráfico no es significativo como para afectar el espesor de diseño.

FIG29. Tasas anuales de crecimiento de tráfico y factores de proyección correspondientes [10] Factor de Tasa anual de proyección para un crecimiento de periodo de diseño tráfico (%) de 20 años 1 1½ 2 2½ 3 3½ 4 4½ 5 5½

1.1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.5 1.6 1.7 1.8

Para calles y caminos de mediano a alto tráfico, debe efectuarse la verificación de la capacidad de diseño de las vías para asegurar que se cuenta con el número suficiente de carriles para el tráfico proyectado. La Tabla 4 puede emplearse para una verificación gruesa. En el Apéndice A se dan los métodos para el diseño para capacidad de tráfico. Capacidad – Volumen diario promedio de automóviles y camiones (dos Vehículo s

0 1 0

Carreteras Carreteras rurales de 2 rurales de 4 5,74 0 5,20

19,25 0 17,50

FIG30 . Guía para capacidad de carreteras [10] 41

Carreteras

urbanas de 4

37,50 0 34,00

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS DISTRIBUCIÓN DE CARGAS POR EJE La información sobre la distribución de cargas por eje para el tráfico de camiones es necesaria para calcular los números de ejes simples y tándem de los diversos pesos esperados durante el periodo de diseño. Estos datos se emplean después para el cálculo del Factor de Fatiga, el cuál expresa los efectos de fatiga producidos por el número y pesos de las cargas por eje. La distribución de cargas por eje se calcula con datos de uno o más estaciones de pesaje o de las tablas W-4 para las clases apropiadas de caminos o calles. Recientemente algunos departamentos estatales de carreteras han efectuado encuestas de cargas para calles de ciudades y caminos de condados. Minnesota, por ejemplo, ha preparado tablas W-4 “L” las cuales muestran la distribución de cargas por eje para el tráfico que es predominantemente local. California ha efectuado encuestas similares para calles que conducen moderados a altos volúmenes de tráfico. El procedimiento para el uso de una tabla W-4 para un camino local se da en el Ejemplo de Diseño 1. Una tabla W-4 con los datos esenciales para el ejemplo se reproduce en la Tabla 8 y los cálculos respectivos en la Tabla 9. Para el diseño de calles de ciudades, muchas comunidades han efectuado estudios de tráfico basados en un sistema de clasificación práctica de calles. Estos estudios indican que las calles de similar clasificación conducen esencialmente la misma distribución de cargas por eje.

DATOS DE ENCUESTAS DE CARGAS NO DISPONIBLES (CALLES RESIDENCIALES Y CAMINOS SECUNDARIOS) En muchos casos no se disponen de datos de distribución de cargas por eje para la categoría de pavimentos con tráfico ligero, por ejemplo, para calles residenciales o caminos secundarios. En la ausencia de estos datos, pueden emplearse los valores listados en la Tabla 5 para representar los requerimientos de fatiga para el diseño de un pavimento con suelo-cemento, los que se conocen que dan espesores de diseño bastante razonables.

Tabla 31. Factores de Fatiga representativos para pavimentos de tráfico ligero [10] Camiones

Facilidad Calles puramente residencial…….. Calles colectoras residenciales…. Caminos secundarios……

42

TPD

Total de pesados** camiones* (%) (%) Aprox. Aprox.

Factor de Fatiga***

300 a 700

8

3

5 a 12

700 a 4,000

8

3

12 a 20

Hasta 2,000+

14 a 20

5a8

12 a 30




Todos los vehículos comerciales, incluyendo los vehículos de 2 ejes y 4 llantas.



Excluye a las paneles, camionetas, y otros vehículos de 2 ejes y 4 llantas que con lo suficientemente pesados para afectar el espesor de diseño.



Estos rangos particulares de valores para el Factor de Fatiga están basados en los siguientes características para el tráfico de las calles y caminos secundarios: (1) la



mitad del numero indicado de cargas pesadas por eje, por dirección; (2) las distribuciones de cargas por ejes varían de 12,000 a 20,000 libras por eje individual;

Para calles residenciales, los estudios de tráfico indican que los volúmenes de tráfico pueden variar como se muestra en la Tabla 5, con cerca de 3 por ciento de camiones lo suficientemente pesados para afectar el espesor de diseño (cargas por eje de 12,000 libras o más). Para caminos secundarios, los volúmenes de tráfico pueden oscilar desde valores muy bajos hasta un TPD de 2,000 o más, con alrededor de 5 a 8 por ciento de camiones con peso suficiente para afectar el diseño. Los Factores de Fatiga correspondientes en la Tabla 5 representan a estos volúmenes de camiones con rangos en la distribución de cargas por eje que son típicos para calles y vías secundarias. Para caminos por donde transcurren inusualmente cargas pesadas por eje tales como camiones de minería o forestales, es necesario obtener la distribución de cargas por eje en forma específica y luego determinar el Factor de Fatiga requerido.

DISTRIBUCION DE CARRIL Para proyectos de 4 carriles, así como de 2 carriles, se asume que todos los carriles conducen al 100 por ciento del tráfico de camiones en una dirección. Un análisis más detallado para proyectos de 4 carriles puede emplearse para encontrar el porcentaje de camiones en el carril del lado derecho; sin embargo, este análisis usualmente no cambiará significativamente el espesor de diseño para un proyecto específico.

Factor de Fatiga Este procedimiento de diseño denomina como “Factor de Fatiga” al valor individual que expresa los efectos del consumo total de fatiga, producido por los volúmenes y pesos de cargas de ejes simples y tándem, para un problema de diseño dado. Este factor se basa en coeficientes que muestran el consumo relativo de fatiga de las diferentes magnitudes de cargas por eje, denominados “Coeficientes de Consumo de Fatiga”, los cuales se listan en la Tabla 6. El diseñador deberá notar que se emplean valores diferentes para suelo-cemento granular y suelo-cemento de graduación fina, en correspondencia con los dos tipos generales de suelos (ver Tabla 1). 43

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS Los Coeficientes de Consumo de Fatiga son multiplicados por los números (en miles) de ejes de cada intervalo de carga y luego sumados para dar un valor simple de Factor de Fatiga, como se ilustra en la Tabla 10 para el Ejemplo de Diseño 1.

Espesor de Suelo-Cemento El espesor de la capa de base de suelo-cemento se determina empleando la Figura 3 para suelo-cemento granular, o la Figura 4 para suelo-cemento de graduación fina. El espesor de suelo-cemento se lee con una aproximación de un décimo (0.1) de pulgada empleando el Factor de Fatiga calculado y el valor de diseño del Coeficiente de Reacción k. Este espesor usualmente se incrementa a la ½ pulgada superior a menos que haya un ajuste por el espesor de la capa bituminosa, como se explica en la siguiente sección.

Espesor de la capa de superficie bituminosa El espesor de la capa bituminosa de superficie dependerá de muchos factores: el tipo de superficie, el volumen y composición del tráfico, las condiciones climáticas, la disponibilidad de materiales, y las prácticas locales. La Tabla 7 está basada en la experiencia cubriendo un amplio rango de estas variables y muestra el espesor de superficie recomendado como una buena práctica de diseño. Bajo condiciones favorables indicadas por experiencias locales previas, o cuando se espera que las superficies serán selladas y posiblemente recapadas en un lapso relativamente corto, debería esperarse que los espesores mínimos mostrados en la Tabla 7 serán adecuados.

44

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS Tabla 32. Coeficientes de Consumo de Fatiga* [10] Carga por Eje (Miles de libras) Ejes Simples 30 28 26 24 22 20 18 16 14 Ejes Tándem 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24

Suelo-Cemento Granular

Suelo-Cemento Gradación Fina

12,500,000. 1,270,000. 113,000. 8,650. 544. 27.

3,530. 1,130. 337. 93. 23.3 5.2

12,500,000. 3,210,000. 792,000. 186,000. 41,400. 8,650. 1,690. 305. 50.4

3,530. 1,790. 890. 431. 203. 93. 41.1 17.5 7.1

1.0000 0.0250 0.0004

7.5 1.0000 0.1200 0.0120 0.0010

1.0000 0.1600 0.0200

2.74 1.0000 0.3410 0.1070 0.0310

Las investigaciones han indicado que espesores de superficie bituminosa por debajo de 2 pulgadas (5 cm) no suman en forma apreciable a la capacidad estructural del pavimento con suelo-cemento. Sin embargo, es lógico asumir que superficies más gruesas contribuirán en algo con la capacidad estructural. Aunque una evaluación más precisa sobre el beneficio estructural de capas de superficies gruesas debe esperar los resultados de nuevas investigaciones y experiencias de la performance, se puede efectuar una estimación estructural empleando la Figura 5, la cual se basa en la capacidad de distribución de carga de la capa de superficie [10]

45


Figura 33. Carta para diseño de espesores para suelo-cemento granular [10].

46


Figura 34. Carta para diseño de espesores para suelo-cemento gradación fina [10].

47


Tabla 35. Espesores de Superficie Bituminosa [10] Espesor de

Espesor de

SueloCemento (pulg.)

Superficie Bituminosa Recomendado ul . ¾ – 1 ½ 1 ½ – 2 1 ½ – 2 ½ 2-3

5 – 6 7 8 9

Espesor Mínimo de Superficie Bituminosa (pulg.) rea sin rea con congelamiento congelamiento SBST* DBST 1 2

DBST* 1** 1½ 2

* SBST, Tratamiento superficial bituminoso simple; DBST, Tratamiento superficial bituminoso doble. ** Donde se emplee quitanieves se recomienda un mínimo de 1 ½ pulgada. Por ejemplo, si indica un espesor básico de suelo-cemento de 7.8 pulgadas, y es una práctica local colocar 3 pulgadas de superficie, la Figura 5 muestra que el espesor de diseño de suelo-cemento puede reducirse a 6.7 pulgadas. Este debería usualmente redondearse a la ½ pulgada superior, por ejemplo, 7 pulgadas de suelo-cemento con 3 pulgadas de capa bituminosa de superficie. 

Figura36. Carta de Diseño para reducción del espesor de suelo-cemento considerando el espesor de la superficie bituminosa [10]

48

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS 4.3.1.-METODO DE DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTO CON ADOQUINES Pavimento formado, típicamente por una base granuar, una capa o cama de arena de asiento, Los adoquines inter trabados de concreto, la arena de sello, los confinamientos laterales y el Drenaje, construido sobre una sub‐rasante de uelo preparado para recibirlo. Dichos pavimentos se construyen de tal forma que las cargas verticales de los vehículos se transmitan a los adoquines intertrabados adyacentes por corte a través de la arena de sello de las juntas.

Figura 37. pavimento con adoquines [11] 4.3.2.-DISEÑO DE ADOQUINES PARA TRÁFICO VEHICULAR Se ha tomado la aproximación desarrollada por knapton norma bs 7533 (reino unido – publicación de 1992 guía para el diseño estructural de pavimentos construidos con adoquines de concreto arcilla construido con adoquines de concreto Este es uno de los pocos métodos de diseño disponibles en la actualidad y su principal virtud radica en la sencillez de su aplicación. La metodología propuesta para la concepción y diseño de pavimentos sigue los mismos principios del método de diseño para pavimentos en general, pero se presenta al diseñador de una manera tal que le sea más práctica y directa para utilizar.

49


figura 38 Espesores para pavimentos de adoquines de concreto para tráfico vehicular urbano [11,8] 4.3.3.-CAPA DE RODADURA DE ADOQUINES Las primeras investigaciones de Knapton dieron como resultado que una capa de rodadura de Adoquines 80mm de espesor y 40mm de arena tenía una capacidad de distribución de carga de 1.3 veces la de una capa de concreto asfáltico de 100mm. de espesor. Por ello, en países como Colombia y Honduras trabajaban con factores de hasta 1.6; sin embargo, se ha reducido este Factor a una cifra más cercana a 1, con el fin de poder dar cabida a las imprecisiones de diseño, De caracterización de los materiales y constructivas que se puedan presentar. Según el factor 1 la equivalencia es de 100mm de concreto asfáltico para adoquines de 60mm y capa de arena de 40mm 120mm de concreto asfáltico para adoquines de 80mm y capa de arena de 40mm Espesores mínimos Desde el punto de vista constructivo, se sugieren los siguientes espesores mínimos en función De la capacidad portante de la subrasante o capa inferior, de acuerdo a la siguiente tabla

Propuesta de Diseño En nuestra alternativa de diseño, para un pavimento con un tráfico esperado de 20 años de 550,000 ejes estándar (vía colectora), se propone: CAPA DE ADOQUINES CAPA DE ARENA BASE GRANULAR SUB BASE

50

80mm 40mm 200mm, para un CBR de 80% 150mm, para un CBR de 40%

METODOS DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS Espesor Total =

470mm

=

47.0 cm

Considerando los espesores mínimos acostumbrados para los materiales de base y sub base de vías colectoras, de nuestro reglamento.

5.1.1.-NUEVOS MÉTODOS DE ANÁLISIS DE PAVIMENTOS 5.1.2.- PROGRAMAS DE ELEMENTOS FINITOS Actualmente se ha venido desarrollando una nueva metodología para el estudio y análisis De pavimentos la cual emplea programas de elementos finitos para la determinación de Esfuerzos y deformaciones. Estos programas emplean ecuaciones constitutivas para el Cálculo de esfuerzos y deformaciones las cuales suponen que el material es un continuo (No se tiene en cuenta el comportamiento individual de los componentes del material, sino Su comportamiento global a nivel macro mecánico). Para el caso de los pavimentos, algunas de las ventajas del empleo de programas de eleMenos finitos radica en que pueden llegar a tener en cuenta que los materiales granulares

No tratados que conforman pavimentos exhiben un comportamiento no lineal, dependiente De la condición de esfuerzos, y comportamiento viscoso en las capas asfálticas y en la suBrasante. Son capaces de modelar diferentes geometrías, condiciones de frontera, criterios De falla y carga cíclica. Algunos modelos de comportamiento empleados en programas de elementos finitos para

el cálculo de esfuerzos y deformaciones en materiales granulares no tratados son: el modelo de acumulación de Bochum [100], Elastoplásticos [16, 38, 41, 89], Hiperelásticos [44, 89], Elásticos lineales y no lineales [p.e., 11, 14, 42, 45, 91] e Hipoplásticos [76, 77]. Para el caso de las capas asfálticas por lo general los modelos empleados son los elásticos liNeales y los viscoelásticos. Mayor información sobre ecuaciones constitutivas y empíricas En el mercado existen diversos programas de elementos finitos como el Abaqus, Plaxys y

Ansys, pero algunos que se especializan en pavimentos son el SENOL (University of Nottingham), FENLAP (University of Nottingham), ILLI-PAVE (University of Il inois), GT-PAVE (Georgia Institute of Technology) y el NOEL (Université de Nantes), y códigos como el DIANA (Delft University of technology) y el CESAR (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées).

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Los programas multicapa elásticos han sido preferidos con respecto a los de elementos finitos debido a su simplicidad en el manejo y en el entendimiento de las ecuaciones con las Que se obtienen los estados de esfuerzo y deformación. Además, requieren menos tiempo Computacional y memoria. Pero en general, los programas de elementos finitos son mejores

Para intentar reproducir el comportamiento de los materiales que conforman un pavimento. Solo es necesario el desarrollo o de ecuaciones constitutivas que predigan lo más cercano posible el comportamiento de cada uno de los materiales que conforman estas estructuras. A pesar de los avances en el área del desarrollo de programas y ecuaciones constitutivas, La deformación que experimentan los materiales granulares es difícil de predecir principalMente por las siguientes razones: [1] [6] 

  

El comportamiento de estos materiales bajo carga cíclica es complejo y aún no ha sido Totalmente entendido menciona que bajo carga cíclica la respuesta de estos materiales es fuertemente no lineal. Además bajo esfuerzos de corte ellos exhiben dilatación y deformación tanto resiliente como permanente. La estructura del pavimento está compuesta por diferentes materiales que experimenTan diferentes comportamientos bajo carga cíclica y condiciones del medio ambiente. Las capas asfálticas presentan un comportamiento viscoso con componentes elásticas Y plásticas. La temperatura y humedad de las capas granulares varía en el tiempo y por lo tanto su Comportamiento con cada repetición de carga.

6.1.1.- CONCLUSIONES FINALES



Existen una variedad de métodos para el diseño estructural de un pavimento sin embargo su utilización puede traer algunos inexactitudes



Los métodos de diseño de pavimentos comenzar a tener en cuenta que la acumulación de la deformación permanente es la suma de las deformaciones que se generan en cada una de las capas de la estructura.

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Trabajo Final de Diseño de Pavimentos

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