Unidad III Diseño de Pavimentos Flexibles. Pavimentos flexibles.
Un pavimento flexible se define como la capa o conjunto de capas de materiales apropiados comprendidas entre el nivel superior de las terracerías (calles de tierra) y la superficie de rodamiento cuya función es proporcionar una superficie uniforme, de color y textura apropiados, resistente y para transmitir a las terracerías los esfuerzos producidos por cargas impuestas en el transito.
Características del pavimento flexible.
Un pavimento flexible se adapta a las cargas. La estructura de pavimento flexible está compuesta por varias capas de material. Cada capa recibe cargas, se extiende en ella, y pasa a estas cargas, a la siguiente capa inferior. Por lo tanto, la capa más abajo en la estructura del pavimento, recibe menos carga. Con el fin de aprovechar al máximo esta propiedad, las capas son generalmente dispuestas en orden descendente de capacidad de carga, por lo tanto la capa superior será la que posee la mayor capacidad de carga de material (y la más cara) y la de más baja capacidad de carga de material (y más barata) ira en la parte inferior.
Elementos del pavimento flexible.
La Subrasante: Es la capa del terreno de una carretera que soporta la estructura de pavimento. Se extiende hasta una profundidad que no afecte la carga que corresponde al tránsito previsto. Esta puede estar formada en corte o relleno y una vez compactada debe tener las secciones transversales y pendientes especificadas en los planos finales de diseño. El espesor del pavimento dependerá, en buena parte, de la calidad de la subrasante, por lo que es recomendable que sea resistente, incompresible e inmune a cambios por humedad. Son ideales los materiales granulares, con porcentajes de hinchamiento que cumplan con la AASHTO T 193. Durante la construcción, un espesor equivalente a la subrasante deberá escarificarse, homogenizarse, mezclarse, conformarse
y compactarse totalmente, hasta alcanzar la densidad máxima definida en la AASHTO T180. La Subbase: Se encarga de soportar y distribuir uniformemente las cargas aplicadas en la rodadura de pavimento. Debe por lo tanto ser capaz de controlar los cambios de volumen y elasticidad, que puedan dañar el pavimento. Sirve como capa de drenaje y controla la ascensión capilar, lo que protege la estructura de pavimento. En su construcción se recomienda el empleo de materiales granulares. En los pavimentos flexibles esta capa sirve como material de transición. El material de la subbase debe tener un CBR mayor que el de la subrasante y su espesor puede variar por tramos, de acuerdo con la calidad de la subrasante. Para su construcción se verificará que los materiales cumplan con la AASHTO T-193sobre una muestra saturada según AASHTO T180, sin bloques mayores que 2/3 del espesor de la capa, verificando el IP según AASHTO T-90 y límites según AASHTO T89, además de estar libre de impurezas. Se colocan en capas de 20 cm máximo, homogenizadas, conformadas y compactadas, hasta alcanzar su máxima densidad. La Base: Es la que distribuye las cargas a la subbase, por lo que se la debe construir con piedra de buena calidad, triturada y mezclada con material de relleno, o bien con suelo y grava. Su estabilidad dependerá de la graduación de las partículas, su forma, densidad relativa, fricción interna y cohesión, por lo que el material debe cumplir con las normas AASHTO T193, AASHTO T180 y AASHTO T 193; estar libre de impurezas orgánicas, y la porción retenida en el tamiz Nº 4 debe cumplir con la prueba de desgaste AASHTO T96. Por su parte, el porcentaje que pasa la malla Nº 40 debe cumplir con los límites indicados en AASHTO T90 Y T89 y el porcentaje que pasa la malla 200 debe ser menor que la mitad del porcentaje que pasa el tamiz No.40. Durante su construcción, si el espesor de la base es mayor que 20 cm, la compactación se hará por capas no mayores de 20 cm ni menores a 10 cm, humedeciendo la superficie de contacto entre ellas. En el caso de los materiales estabilizados, sus características mecánicas cambian y se incrementa significativamente el módulo de resilencia. Se deberán realizar estudios de laboratorio para determinar las cantidades y límites razonables a utilizar.
Utilización del pavimento flexible
La utilización de los pavimentos flexibles se realiza fundamentalmente en zonas de abundante tráfico como puedan ser vías, aceras o parkings. Ventajas y desventajas Ventajas:
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Resulta más económico en su construcción inicial.
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Tiene un periodo de vida de entre 10 y 15 años. Desventajas:
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Requiriere mantenimiento constante para cumplir con su vida útil.
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Las cargas pesadas producen roderas y dislocamientos en el asfalto y son un peligro potencial para los usuarios. Esto constituye un serio problema en intersecciones, casetas de cobro de cuotas de peaje, rampas, donde el tráfico está constantemente frenando y arrancando. Las roderas llenas de agua de lluvia en estas zonas, pueden causar derrapamientos, pérdida de control del vehículo y por lo tanto, dar lugar a accidentes y a lesiones personales.
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Las roderas, dislocamientos, agrietamientos por temperatura, agrietamientos tipo piel de cocodrilo (fatiga) y el intemperismo, implican un tratamiento frecuente a base de selladores de grietas y de recubrimientos superficiales.
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El hidroplaneo6 es también un problema serio en caminos con roderas, sobre todo en rutas interestatales y primarias.
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Existen estudios donde se demuestra que las distancias de frenado para superficies de concreto son mucho mayores que para las superficies de asfalto sobre todo cuando el asfalto esta húmedo y con roderas.
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Una vez que se han formado roderas en un pavimento de asfalto, la experiencia ha demostrado, que la colocación de una sobrecarpeta de asfalto sobre ese pavimento no evitara que se vuelva a presentar.
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Las roderas reaparecen ante la incapacidad de lograr una compactación adecuada en las roderas que dejan las ruedas y/o ante la imposibilidad del asfalto de resistir las presiones actuales de los neumáticos y los volúmenes de tráfico de hoy en día.
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La reflexión de grietas es otra forma de falla de sobrecarpetas de asfalto, que puede reducir apreciablemente la vida útil esperada.
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En la mayor parte de los casos, el asfalto sub diseñado de la primera etapa se deteriora antes de poder colocar el primer reencarpetado proyectado. Las sobrecarpetas delgadas subsecuentes no se comportaron bien porque la falla original del asfalto, se refleja rápidamente a través del citado reencarpetado. Aun cuando se especifique una sobrecarpeta de asfalto más gruesa, los resultados no mejoran apreciablemente. Se ha demostrado que en las sobrecarpetas más gruesas, se forman más roderas que en recubrimientos delgados.
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La presencia de un nivel freático alto y/o de suelos débiles subyaciendo a un pavimento asfáltico que ha fallado, es muy probable que necesiten excavarse y rellenarse en un espesor a veces de más de un metro como etapa previa a la construcción.
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Las restricciones en cuanto a cargas por eje (de camiones) resultan difíciles de aplicar, y es frecuente ver que los camiones que exceden los pesos restringidos circulan sobre los pavimentos asfálticos.
Método de diseño
El método considera las siguientes variables de diseño: • Características de la subrasante o fundación. • Repeticiones de cargas. • Nivel de falla o comportamiento del pavimento. • Confiabilidad estadística. • Estructura de pavimento y materiales disponibles.
Características De La Subrasante O Fundación: El valor soporte de la subrasante o fundación del pavimento debe caracterizarse en términos de Módulo Resilente (Mr) en función de las condiciones de humedad a que estaría sometido el suelo a lo largo del año, ya que esta condición afecta su valor soporte, en especial en suelos finos arcillosos. Repeticiones De Cargas: La demanda o cargas sobre el sistema se estiman en función del número de repeticiones de Ejes Equivalentes (EE) a 18.000 lbs, esperadas durante el periodo de diseño. Nivel De Falla O Comportamiento Del Pavimento: Esta variable considera el nivel de calidad de rodaje (serviceabilidad) considerado como nivel de falla funcional del pavimento. Confiabilidad Estadística: El método usa un procedimiento estadístico que permite incluir un factor de seguridad que corrige el diseño en función del nivel de confiabilidad deseado. Es importante destacar que la determinación del valor soporte de la subrasante y la estimación del tráfico o repeticiones de carga esperados son las variables más importantes y significativas en el proceso de diseño. Estructura De Pavimento Y Materiales Disponibles: La estructura requerida del pavimento, o Numero Estructural (SN), debe conformarse en función de los materiales disponibles en la zona para su construcción, estos deben caracterizarse en términos de su coeficiente estructural, el cual es un indicador de su resistencia o propiedades mecánicas. Este aspecto será discutido más adelante. Método de AASHTO
El método de diseño AASHTO es uno de métodos más utilizados a nivel internacional para el diseño de pavimentos de concreto hidráulico. La prueba de pavimentación que en su momento se conoció como AASHO, por sus siglas en inglés y debido a que en aquel entonces no estaba integrado el departamento del
transporte de EU a esta organización. Fue concebida y promovida gracias a la organización que ahora co nocemos como AASHTO (“American Association of State Highway and Transportation Officials”) para estudiar el comportamiento de estructuras de pavimento de espesores conocidos, bajo cargas móviles de magnitudes y frecuencias conocidas y bajo el efecto del medio ambiente. Fue formulada por el consejo de investigación de carreteras de la academia nacional de ciencias, consejo nacional para la investigación, la planeación empezó en 1951, la construcción del proyecto comenzó en1956 muy cerca de Ottawa, Illinois. EL tráfico controlado de la prueba se aplicó de octubre de 1958 a noviembre de 1960, o sea, durante más de dos años. El objetivo principal de las pruebas consistía en determinar relaciones significativas entre el comportamiento de varias secciones de pavimento y las cargas aplicadas sobre ellas, o bien para determinar las relaciones significativas entre un número de repeticiones de ejes con cargas, de diferente magnitud y disposición, y el comportamiento de diferentes espesores de pavimentos, conformados con bases y sub-bases, colocados en suelos de características conocidas.
Método AASHTO Para El Diseño De Pavimentos Flexibles
El método AASHTO-1993 para el diseño de pavimentos flexibles, se basa primordialmente en identificar un “número estructural (SN)” para el pavimento, que
pueda soportar el nivel de carga solicitado. Para determinar el número estructural, el método se apoya en una ecuación que relaciona los coeficientes , con sus respectivos números estructurales, los cuales se calculan con ayuda de un software, (AASHTO 93) el cual requiere unos datos de entrada como son el número de ejes equivalentes, el rango de serviciabilidad, la confiabilidad y el modulo Resiliente de la capa a analizar.
Método Venezolano
En el caso del pavimento flexible de carreteras, actualmente en Venezuela se aplica el Método AASHTO-93 y el Método MTC-83, y para el caso de pavimento flexible para aeropuertos se conoce el Método del CBR y el Método de la FAA. En la experiencia de pavimentos diseñados y construidos en el país, el Método AASHTO-93 ha tenido buena aceptación y aplicación. Éste método fue introducido por primera vez en 1962 como una "guía provisional de diseño", y se perfecciona en los años
1972, 1981 y nuevamente en 1986; posteriormente en el año 1993, se actualiza el procedimiento de diseño de rehabilitaciones (pero se mantiene igual al del año 1986). En Venezuela el Método AASHTO -93 fue adaptado y validado para las condiciones particulares del país por el Dr. Augusto Jugo, en el año 1997. Para el año 2002 se esperaba una nueva versión de este método, la cual sin embargo, solo fue dada a conocer a los profesionales de ésta área de investigación en el año 2004, y se espera que esté disponible como herramienta de diseño para el año 2015.
Unidad IV Diseño de Pavimentos Rígidos
Pavimentos Rígidos
Son aquellos formados por una losa de concreto Pórtland sobre una base, o directamente sobre la sub-rasante. Transmite directamente los esfuerzos al suelo en una forma minimizada, es auto-resistente, y la cantidad de concreto debe ser controlada. Características
Los pavimentos rígidos se caracterizan por tener una larga vida útil y puedes ser diseñada para todo tipo de tráfico y uso, como avenida, aeropuerto y otros usos. De igual modo esta tienes numerosas ventajas sobre los pavimentos flexibles.
Elementos Del Pavimentos Rígidos
La Subrasante: Es la capa del terreno de una carretera que soporta la estructura de pavimento. Se extiende hasta una profundidad que no afecte la carga que corresponde al tránsito previsto. Esta puede estar formada en corte o relleno y una vez compactada debe tener las secciones transversales y pendientes especificadas en los planos finales de diseño. El espesor del pavimento dependerá, en buena parte, de la calidad de la subrasante, por lo que es recomendable que sea resistente, incompresible e inmune a cambios por humedad. Son ideales los materiales granulares, con porcentajes de hinchamiento que cumplan con la AASHTO T 193. Durante la construcción, un espesor equivalente a la subrasante deberá escarificarse, homogenizarse, mezclarse, conformarse y compactarse totalmente, hasta alcanzar la densidad máxima definida en la AASHTO T180.
La Subbase: Se encarga de soportar y distribuir uniformemente las cargas aplicadas en la rodadura de pavimento. Debe por lo tanto ser capaz de controlar los cambios de volumen y elasticidad, que puedan dañar el pavimento. Sirve como capa de drenaje y controla la ascensión capilar, lo que protege la estructura de pavimento. En su construcción se recomienda el empleo de materiales granulares. En los pavimentos flexibles esta capa sirve como material de transición. El material de la subbase debe tener un CBR mayor que el de la subrasante y su espesor puede variar por tramos, de acuerdo con la calidad de la subrasante. Para su construcción se verificará que los materiales cumplan con la AASHTO T-193sobre una muestra saturada según AASHTO T180, sin bloques mayores que 2/3 del espesor de la capa, verificando el IP según AASHTO T-90 y límites según AASHTO T89, además de estar libre de impurezas. Se colocan en capas de 20 cm máximo, homogenizadas, conformadas y compactadas, hasta alcanzar su máxima densidad.
Superficie de rodadura: Es la capa superior de la estructura de pavimento, construida con concreto hidráulico, por lo que debido a su rigidez y alto módulo de elasticidad, basan su capacidad portante en la losa, más que en la capacidad de la subrasante, dado que no usan capa de base. En general, se puede indicar que el concreto hidráulico distribuye mejor las cargas hacia la estructura de pavimento.
Uso Del Pavimento Rígido
El uso de los pavimentos rígidos se remonta a más de 100 años. George Bartholomew, un norteamericano de Ohio, realizó las primeras pruebas en una faja experimental de 2.44 metros de ancho. Este descubrimiento dio inicio al proyecto de obras públicas más grande en la historia de la humanidad: el sistema de carreteras interestatal de los Estados Unidos de Norteamérica, con aproximadamente 27.500 Km de longitud.
El pavimento rígido puede ser diseñado para calles, avenidas, carreteras y aeropuertos, para cualquier nivel de tráfico y prácticamente sobre cualquier tipo de suelo, con tal de que la sub-rasante sea razonablemente uniforme.
Ventajas y Desventajas Ventajas:
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El mantenimiento que requiere es mínimo y solo se efectúa (comúnmente) en las juntas de las losas.
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Al realizar la pavimentación con cimbras deslizantes la principal ventaja es el hecho de que una máquina, bajo el control de un solo operador reemplaza los diversos elementos que forman el acomodo de la maquinaria de pavimentación convencional.
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La sobre carpeta de concreto proporciona ventajas a largo plazo para los usuarios de caminos y para los organismos encargados de carreteras debido a que la superficie de concreto reduce drásticamente el tiempo y los retrasos, que generalmente acompañan al mantenimiento constante de una superficie de asfalto.
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Una superficie de concreto es durable, resistente y requiere mucho menos tiempo de mantenimiento y dinero.
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Las sobre carpetas de concreto son particularmente efectivas, en proyectos donde las restricciones en el presupuesto anual y altos niveles de tráfico, hacen que las interrupciones frecuentes en la circulación y los costos de mantenimiento sean intolerables.
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También se puede colocar una sobre carpeta de concreto para aumentar la seguridad de una superficie de concreto.
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Las cargas pesadas no forman roderas ni dislocamientos en el concreto, el cual conserva una alta resistencia antiderrapante.
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Las sobre carpetas de concreto no desarrollan las fallas típicas presentes en los reencarpetados de asfalto.
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El concreto puede cubrir uniformemente las roderas en el asfalto y corregir el perfil de la superficie.
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Debido a la capacidad que tiene la losa de concreto para puentear los problemas subyacentes, no ocurrirá la reflexión que se presenta en las sobre carpetas de asfalto.
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También se han usado sobre carpetas de concreto sobre pavimentos de asfalto existentes, como una alternativa a la "construcción por etapas" de pavimentos flexibles.
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Los análisis de los costos de rehabilitación y mantenimiento a largo plazo correspondientes a la "construcción por etapas", representa la solución más duradera de bajo riesgos.
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Una sobre carpeta de concreto permite que la construcción se haga directamente sobre la superficie flexible existente, sin tener que eliminar o reparar la sub-base o la subrasante en toda la extensión del proyecto. El espesor gradual para ligarse a un puente o a estructuras en línea se logra rebajando con fresadora el asfalto existente hasta obtener la pendiente adecuada.
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La colocación de una sobre carpeta de concreto directamente sobre un pavimento de asfalto, también puede ahorrar costos de construcción cuando hay mal tiempo. Después de una lluvia fuerte, la construcción de nuevos pavimentos se puede retrasar varios días, mientras la subrasante se seca hasta alcanzar una condición adecuada. Con la sobre carpeta de concreto el contratista usa una barredora mecánica, para eliminar el agua en exceso acumulada en las roderas dejadas por las ruedas. Por lo tanto, en muchos casos la construcción de pavimentos de concreto sobre el asfalto se puede reanudar inmediatamente después de que deja de llover.
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Su período de vida varía entre 20 y 40 años
Desventajas:
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Tiene un costo inicial mucho más elevado que el pavimento flexible.
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Se debe tener cuidado en el diseño.
Diferenciar los pavimentos rígidos y flexibles
La diferencia entre estos tipos de pavimentos es la resistencia que presentan por flexión. Esto quiere decir que por ejemplo el concreto rigido va a soportar con mayor facilidad el peso vehicular, ya que estos se diseñan para que tengan un largo periodo de vida útil. Los pavimentos rígidos están hechos con concreto hidráulico, generalmente se cuelan en losas y se refuerzan con varillas de acero. Los pavimentos flexibles están hechos de compuestos asfálticos mezclados con agregados pétreos El comportamiento del pavimento frente a las cargas es diferente de acuerdo a si el pavimento es flexible o rígido, siendo su principal diferencia cómo cada uno de ellos transmite las cargas a la subrasante. En un pavimento rígido, debido a la consistencia de la superficie de rodadura, o sea, la alta rigidez de la losa de concreto le permite mantenerse como una placa y distribuir las cargas sobre un área mayor de la subrasante, transmitiendo presiones muy bajas a las capas inferiores. Por sí misma, la losa proporciona la mayor parte de la capacidad estructural del pavimento rígido. Lo contrario sucede en un pavimento flexible, construido con materiales débiles y menos rígidos (que el concreto), más deformables, que transmiten a la subrasante las cargas de manera más concentrada. La superficie de rodadura al tener menos rigidez, se deforma más y se producen mayores tensiones en la subrasante. Por todo lo antes mencionado, el pavimento flexible normalmente requiere más capas y mayores espesores para resistir la transmisión de cargas a la subrasante. Los bajos niveles de esfuerzo bajo el pavimento, hacen innecesario contar con materiales de cimentación resistentes, inclusive hace posible la colocación de la losa directamente sobre la subrasante cuando la calidad de tipo de suelo l o permite. Es de vital importancia que el terreno de apoyo para el pavimento sea uniforme, sin cambios bruscos en su capacidad de soporte.
En la rehabilitación de pavimentos, tanto rígidos como flexibles, existen casos puntuales en que se está comenzando a emplear sobre carpetas de concreto hidráulico que además de restituir la capacidad de las vialidades y carreteras, mejoran su seguridad y confort. Método de Diseño.
El diseño del pavimento rígido involucra el análisis de diversos factores: tráfico, drenaje, clima, características de los suelos, capacidad de transferencia de carga, nivel de serviciabilidad deseado, y el grado de confiabilidad al que se desea efectuar el diseño acorde con el grado de importancia de la carretera. Todos estos factores son necesarios para predecir un comportamiento confiable de la estructura del pavimento y evitar que el daño del pavimento alcance el nivel de colapso durante su vida en servicio. La metodología que se utiliza para el diseño del pavimento rígido es la PCA, la cual considera dos criterios de evaluación en el proceso de diseño: Criterio de erosión de la subbase: Se basa en el análisis de falla del pavimento por bombeo excesivo, erosión del suelo de soporte y diferencia en elevaciones de las juntas. Fatiga del pavimento de concreto: El pavimento puede fallar por excesivas repeticiones de carga. 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. Método AASHTO
El método se basa en los resultados experimentales obtenidos vía tramos de prueba en Ottawa. El objetivo principal fue obtener relaciones y correlaciones confiables entre el comportamiento de pavimentos diseñados con los mismos criterios, apoyados en suelos similares y transito igual. Las superficies construidas fueron:
Carpetas asfálticas. Losas de concreto hidráulico sin refuerzo.
Losas de concreto reforzado de manera continua. Con base a esto, se propuso la ecuación de diseño para pavimento rígido, la cual ha sido modificada desde 1960 según propiedades del concreto, las condiciones de apoyo y el ambiente. En caso de los pavimentos flexibles se obtuvo una ecuación equivalente. Las condiciones de diseño de este método son las siguientes: Comportamiento del pavimento: Funcional. Estructural. Seguridad.
A partir de los tramos de prueba, se introdujo el concepto de servicialibidad y comportamiento con calificación de 1-5 que se le asigne por consenso al usuario, con esto el índice de servicio (IS) puede establecerse con textura, rugosidad, fisuramiento y/o agrietamiento de la superficie de rodamiento. El índice de servicio inicial (condición original de pavimento) corresponde a un Índice Presente de Servicio (IPS) mayor a 4.2 y 4.5 para pavimento flexible y rígido respectivamente. El Índice de Servicio Final o de rechazo es aquel en el que existen muchas quejas del usuario y no cubre los parámetros de diseño (2 a 2.5) siendo el ultimo el mas recomendado para pavimentos flexibles. Los parámetros con que se diseñe para cada caso deben ser ajustados para cada región en particular.
República Bolivariana De Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño”
Extensión Maturín Ingeniería Civil
Profesor: Ing. Gustavo Peñaloza
Bachiller: Ximara Grimont C.I 20.645.741 Moira Bolívar C.I 21.358.056
Maturín, Julio de 2013
Introducción
El pavimento es la superestructura de una vía o sistema de revestimiento que conforma el suelo transitable de cualquier espacio construido. Esta construida sobre la sub- rasante, y compuesta normalmente por la sub-base, la base y la capa de rodamiento, cuya función principal es soportar las cargas rodantes y transmitir los esfuerzos al terreno, distribuyéndolos en tal forma que no se produzcan deformaciones perjudiciales, así como efectos del tránsito.
Conclusión
Los pavimentos se apoyan sobre elementos estructurales sensiblemente horizontales, como los terrenos estabilizados, soleras, losas y forjados. Las principales funciones que desempeñan son el aislamiento y la ornamentación, pero al mismo tiempo deben resistir las abrasiones y los punzonamientos (esfuerzos cortantes) producidos por el paso de personas o vehículos, la caída de objetos y la compresión de los elementos que se apoyan. Además, muchos pavimentos tienen que ser inmunes a la acción de agentes químicos, como agua, aceites, sales o ácidos, a las agresiones de seres vivos e incluso a la propia luz solar. Dado que un gran porcentaje de los accidentes automovilísticos que tienen lugar todos los días en las grandes ciudades están relacionados con el deterioro de las calles, resulta de gran importancia prolongar la vida de los pavimentos. Esto se logra estudiando potenciales cambios en sus diseños, de manera que el desgaste producido por los vehículos afecte tan sólo la capa superficial y no genere daños de tipo estructural. Es evidente que los beneficios de dichos avances repercutirían tanto en la seguridad vial como en la economía.
