Diseño de Pavimentos

1. Introducción y conceptos de diseño de pavimentos 2. Métodos de diseño y tipos de pavimentos

3. Suelo de fundación y materiales de la estructura de pavimento 4. Tráfico de diseño 5. Consideraciones de drenaje para el diseño de pavimentos 6. Comportamiento de los pavimentos 7. Método de diseño de pavimentos flexibles AASHTO 1993 8. Método de diseño de pavimentos flexibles del Instituto del Asfalto 9. Ejemplo de aplicación de diseño de pavimentos flexibles 10. Método de diseño de pavimentos rígidos AASHTO 1993 11. Método de diseño de pavimentos rígidos PCA 12. Ejemplo de aplicación de diseño de pavimentos rígidos 13. Introducción al método de diseño mecanístico empírico AASHTO 2002 14. Conceptos de gestión del mantenimiento

“……..Si se da dos diseñadores la tarea de diseñar un pavimento para una vida útil de 20 años, el primero puede considerar que hizo un buen diseño si no apareció ninguna grieta

en 20 años, mientras que el segundo estará satisfecho si el último vehículo pudo circular el año 20 desde la construcción”

AASHTO Test Report 5, 1962

• Es el proceso por el cual los componentes estructurales (carpeta, losa, base, sub base, subrasante) de un segmento de carretera son determinados tomando en consideración la naturaleza de la sub-rasante,

las

consideraciones

ambientales,

densidad

composición del tráfico, y las condiciones de mantenimiento.

• Considerando que el pavimento es la parte superior de una carretera, aeropuerto o zona de parqueo e incluye todas las capas que se apoyan en el suelo natural, incluidas las bermas.

y

En forma resumida el diseño de la estructura del pavimento es: • Establecer espesores y rigideces de los materiales para

mantener la vía bajo un cierto nivel de deterioro y confort.

• Estudio de la subrasante • Selección de los materiales (tipos de pavimentos) • Proporcionamiento de los materiales • Estudio del tráfico • Diseño de los espesores de cada capa • Análisis del ciclo de vida (incluido mantenimiento y tipo de ejecución) • Determinación de espesores finales

• Proporcionar a los usuarios circulación segura, cómoda y confortable sin demoras excesivas • Proporcionar a los vehículos acceso entre dos puntos bajo cualquier condición de clima. Reducir y distribuir la carga de tráfico para que esta no dañe la subrasante • Cumplir requerimientos medio ambientales y estéticos • Limitar el ruido y la contaminación del aire

• Suficiente espesor para que la intensidad de las cargas y presiones sea tolerable por la subrasante, sin deformaciones excesivas • Resistencia suficiente de los componentes para asumir los esfuerzos impuestos por el tráfico y el clima. • Suficiente espesor para prevenir el efecto del congelamiento en subrasantes.

• El material del pavimento debe ser impermeable a la penetración del agua superficial que pudiera debilitar la subrasante y consecuentemente el pavimento o en su defecto facilitar la

circulación del agua disminuyendo su permanencia en la estructura • La superficie del pavimento debe ser resistente al deslizamiento

• Los romanos construyeron 84,000 km de vías empedradas elevadas del nivel de rasante apoyadas en una estructura de piedras grandes

• Los incas y preincas construyeron caminos peatonales de gran longitud con superficies de piedra y arena.

Se estima que alcanzaron una longitud de 25,000 Km

Dos grandes caminos longitudinales (norte-sur)

Varios caminos trasversales (Este-oeste)

• En Francia en el siglo XVII se construyeron vías de poco ancho con superficie de rodadura formada por piedras pequeñas, y arena. • En EEUU e Inglaterra en 1830 se emplea el asfalto y arena como protección de la carretera. • En Austria en 1850 se emplea por primera vez el pavimento rígido. • En 1900 aparecen los vehículos a motor con neumáticos.

• Pierre Trasaguet finales del siglo XVII, introduce el concepto de que el pavimento debe contar con un buen drenaje y que requiere un mantenimiento continuo. • John McAdam (1756-1836), la subrasante con drenaje y adecuadamente compactada debe soportar la carga mientras que la superficie de rodadura está conformada por piedra chancada de diferentes tamaños que actúa también como una capa de protección.

• En 1941 en EEUU se efectúa el ensayo en pista de prueba de Maryland , donde se analiza el efecto de 4 configuraciones diferentes de pavimentos de concreto.

• En 1997 se inicia en EEUU SHRP (Strategic Highway Research

Program) • Pista de Pruebas West Track iniciada en el año 1996

• Desarrollada como la guía de Estructuras de Pavimentos 2002 basada en métodos mecanísticos - empíricos (M-E) y sustentada

en un programa de cómputo

• JPCP (losas con juntas )

• JRCP (losas con refuerzo) • CRCP (losas continuas con refuerzo) • PCP (losas pre-esforzadas)

• MÉTODOS EMPÍRICOS  Reglas prácticas  CBR, Kansas, etc.  Esfuerzo cortante límite  Deflexión límite  Regresión basada en el comportamiento  PCA  AASHTO 1993

• MECANÍSTICOS EMPÍRICOS • Instituto del Asfalto • SHELL • AASHTO 2002 • MÉTODOS MECANÍSTICOS • Soluciones analíticas (Westergaard, etc) • Soluciones numéricas (elementos finitos, probabilística, etc)

• La inversión vial en el perú ha sido significativa desde los años

90, recuperando la red nacional, y la red vecinal en una gran extensión. • La red Nacional está a cargo de PROVIAS NACIONAL, con varios tramos concesionados • La red Departamental a cargo de PROVIAS DESCENTRALIZADO y los Gobiernos Regionales • La red Vecinal a cargo de PROVIAS DESCENTRALIZADO y los

Municipios.

• Estructurales: rotura de uno o más componentes del pavimento • Funcionales: la carretera no es capaz de cumplir su función por problemas de confort, seguridad o regularidad superficial (rugosidad)

Fisuras de arriba hacia abajo

Deformaciones

• Se desarrolla en la parte inferior de la carpeta asfáltica • Los gráficos de diseño se elaboraron en base a una mezcla asfáltica con 11% de asfalto en volumen y 5% de contenido de vacíos, y se considera falla cuando el 20% del área está fisurada.

Donde: • Nf: número de repeticiones de carga para producir la falla

• εt: deformación por tensión en la parte inferior de la capa de carpeta asfáltica • EAC: Módulo de elasticidad de la carpeta asfáltica

• El ahuellamiento límite debe ser menor a0.50” (12.7 mm)

Donde: • Nf: número de repeticiones de carga para producirla falla por ahuellamiento • εc: deformación compresión en la parte superiorde la subrasante

• AASHTO desarrollo las siguiente ecuación para predecir el agrietamiento, sin embargo no se utiliza en el diseño:

Donde: • Dc: es el índice de espesor del fisuramiento • L: es la carga por eje en kips

Donde: • SV: Varianza de la pendiente longitudinal x 102 (pulg/ pie), representa

la

regularidad

del

pavimento

perfilómetro. • RD: Ahuellamiento promedio (pulg).

• C: Superficie agrietada (pie2 /1000 pie2) • P: Area con baches (pie2 /1000 pie2)

medida

con

• Condiciones similares al ejemplo anterior: • Adicionalmente Δpsi=2.0, confiabilidad=90% • Resultados:  Número estructural requerido=3.98  Carpeta asfáltica:6”  Base granular: 12”  Número estructural pavimento=4.02

• Fisuramiento por fatiga de abajo hacia arriba

• Fisuramiento por fatiga de la superficie hacia abajo

• Fatiga en bases estabilizadas químicamente • Deformación permanente (ahuellamiento) • Fisuramiento por temperatura

Donde: • Nf = Nº de repeticiones de carga • K’1 = corrección por el espesor del pavimento • C = factor de ajuste de laboratorio y campo • εt = deformación tangencial • E = módulo elástico

• hac = espesor de la carpeta asfáltica

Fisuras de abajo hacia arriba

Fisuras de arriba hacia abajo

Donde:

• Vb=contenido efectivo de asfalto (%) • Va= porcentaje de vacíos (%)

• Datos similares a los anteriores • Adicionalmente: • Nivel de diseño:3 • Tipo de vehículo: 5 con carga de 18,000lb por eje • Clima moderado • Condiciones de falla:  Fisuras de abajo hacia arriba : 25% del área  Ahuellamiento total: 0.5”

Donde: • RDTOTAL = Ahuellamiento Total • RDAC = ahuellamiento en la carpeta asfáltica • RDGB = ahuellamiento de las capas granulares • RDSG = ahuellamiento de la sub rasante

Donde:

• εp = deformación plástica • εr = deformación resilente • N = Nº de repeticiones de carga • T = temperatura • hac = espesor de la carpeta • Profund = profundidad del punto de análisis

Donde:

• βBG SG = factor de calibración • ε = deformación vertical en la capa • β, ρ, εο = propiedades de los materiales • N = Nº de repeticiones • h = espesor de la capa

Donde:

• βBG SG = factor de calibración • ε = deformación vertical en la capa • β, ρ, εo = propiedades de los materiales  N = Nº de repeticiones  H = espesor de la capa

Donde: • Wc = contenido de humedad • Er = módulo resilente del material

Donde: • Se : error estandar por tipo de componente • RD : ahuellamiento al 50% de confialibilidad • Zp : desviación estándar normal

• En el Perú no existe norma obligatoria para el diseño de

pavimentos, dependiendo de la Entidad y el diseñador se utilizan los diversos métodos. • Los métodos más empleados son: AASHTO 93, Instituto del

Asfalto, PCA, y USACE. • La norma de aceras y pavimentos para el diseño de pavimentos urbanos está en proceso de elaboración.

• Normas del Ministerio de Transportes y Comunicaciones

 DG Normas de diseño geométrico  EG Especificaciones Generales  EM Ensayos de materiales  Manual de diseño de caminos de bajo tráfico pavimentados y no pavimentados  Proyecto de normas de diseño de pavimentos urbanos (aceras y pavimentos)

 Manual de diseño geométrico de vías urbanas • Normas ASTM • Normas AASHTO

• Estudiar las propiedades mecánicas, físicas y químicas del suelo para la cimentación del pavimento, estructuras viales y estabilidad de taludes • Estudiar la factibilidad técnica del alineamiento horizontal y vertical • Clasificar los tipos de materiales para corte • Establecer el nivel freático • Localizar y caracterizar los materiales de cantera

• Ensayos de laboratorio • Determinación

del

suelo

característico de la subrasante • Selección

del

valor

de

resistencia de diseño del suelo de fundación

• Reconocimiento: con el objeto de determinar la geología de la zona y elaborar la hipótesis del suelo (probable perfil) • Investigación Preliminar: basada en el reconocimiento se ejecuta un número limitado de sondeos y ensayos para verificar la hipótesis del subsuelo

• Investigación definitiva: Permite determinar los valores finales de resistencia y estratigrafía para el diseño del pavimento

• Efectuar una revisión de la información topográfica y geológica de la zona

• Selección de los tramos de diseño en base a las características geológicas, topográficas y de drenaje. • Realizar

un

programa

de

exploración

con

excavaciones

espaciadas de acuerdo al tipo de proyecto y condiciones del suelo de fundación (variando de 50 m en zonas urbanas a 150450 m en carreteras) a una profundidad no menor a 1.50 m del nivel de la sub rasante.

• Efectuar las excavaciones o perforaciones mediante:  Calicatas  Trincheras  Perforaciones con posteadora  Perforaciones con diamantina

• Tomar muestras representativas alteradas e inalteradas

Tubos de pared partida (muestreador SPT)

Tubos de pared delgada (shelby)

• Clasificar los suelos de acuerdo al Sistema AASHTO o SUCS • Determinar el perfil estratigráfico de suelos

• Realizar

ensayos

de

relación

densidad-humedad

(proctor

modificado) • Examinar los registros de perforación, los perfiles estratigráficos y

los

ensayos

de

clasificación,

y

seleccionar

muestras

representativas para los ensayos de resistencia como el CBR, Triaxial de Texas o Módulo de resilencia • Usando el perfil estratigráfico seleccionar el módulo resilente de

diseño.

• Laboratorio:  CBR (Relación soporte California)  Módulo de resilencia  Triaxial de Texas • Campo  Ensayo de carga directa sobre placa  FWD (Deflectometría de impacto)

 Cono de penetración

Módulo de reacción de subrasante (k) •

s: presión que transmite placa al suelo

•

D: deformación fijada previamente

• Ensayos de caracterización:  Contenido de humedad  Análisis granulométrico  Límite líquido y plástico  Peso específico  Compactación  Densidad de campo

 Permeabilidad