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ANTECEDENTES AL
DISEÑO MODERNO
DE PAVIMENTOS Y EL
EXPERIMENTO VIAL
DE LA AASHO
Gustavo Corredor M.
gcorredorm@cantv.net
De las calzadas romanas a los pavimentos modernos
Fuente: Ing. Fernando Sánchez Sabogal, Apuntes Pavimentos
80.000 km construidos mantuvieron el poder romano por
mas de seis siglos
Fuente: Ing. Fernando Sánchez Sabogal, Apuntes Pavimentos
80.000 km construidos mantuvieron el poder romano por
mas de seis siglos
Fuente: Ing. Fernando Sánchez Sabogal, Apuntes Pavimentos
En 1894 K. Benz inventa el primer automóvil, pero por muchos
años solo puede ser adquirido por los poderosos
En 1906 Henry Ford logra producir en serie los automóviles
y lo hace asequible a las masas
El célebre Modelo “T”
El vehículo automotor se pone al alcance de todos:
Fuente: Ing. Fernando Sánchez Sabogal, Apuntes Pavimentos
El vehículo automotor se pone al alcance de todos:
Fuente: Ing. Fernando Sánchez Sabogal, Apuntes Pavimentos
El vehículo automotor se pone al alcance de todos:
¡Hay que mejorar los caminos!
MÉTODOS EMPÍRICOS
PREVIOS A ENSAYOS DE TRAMOS EXPERIMENTALES
• Primeros métodos en base a la experiencia y sentido común
(antes de 1908): difícil extrapolar. Diseño por “catálogo”.
• Método del Índice de Grupo: mayor Índice de Grupo y mayor
volumen de tránsito, mayor espesor de pavimento
• Métodos edafológicos: Según la formación del suelo , tal como
el empleado en el Estado de Michigan, USA.
• Método del valor soporte CBR (1928, 1942)
Métodos de catálogos en base a la
experiencia:
Junio 1943
Métodos de catálogos en base a la
experiencia:
Método del Índice de Grupo
Fuente: Principios de diseño de
Pavimentos; Yoder, 1959.
Método del CBR
(1945-1962),
Versión del Instituto
del Asfalto (USA)
Método del CBR
(1945-1962),
Versión del Instituto
del Asfalto (USA)
MÉTODOS TEÓRICOS, PREVIOS A ENSAYOS DE
TRAMOS EXPERIMENTALES
Métodos basados en la mecánica de suelos: esfuerzos teóricos
en masas ideales empleando las ecuaciones de Boussinesq,
Westergard y Burmister (1910-1940).
La primera aplicación a pavimentos fue propuesta por Palmer
y Barber en 1940.
2^*
(]^^)/(1[2
3
)2/52 z
P
zrz
En donde:
z = esfuerzo vertical a la profundidad “z”, en masas homogéneas
r = distancia radial desde el punto de aplicación de la carga
P = carga puntual en la superficie
Esfuerzos y deformaciones en pavimentos unicapa
Soluciones gráficas de
Esfuerzos-deformaciones
en sistemas bi-capa
Soluciones gráficas de esfuerzos-deformaciones en sistemas tri-capa
El procedimiento de diseño consiste en calcular los esfuerzos
y deformaciones resultantes para una carga específica, aplicada
sobre una estructura (espesores) de pavimento determinada,
y de materiales (Módulos elásticos y relación de Poisson)
también conocidos.
Los esfuerzos aplicados, determinados a partir de las ecuaciones,
gráficos y fórmulas ya presentados anteriormente, deben ser
menores a los esfuerzos resistentes por los materiales que
conforman la estructura.
Además de la complejidad de las fórmulas y tablas, existe otra
dificultad: ¿cómo determinar el valor del Módulo elástico?
La complejidad de estas soluciones ha llevado a Yoder y Witczak
a comentar en su libro “Principios del diseño de Pavimentos, 1975:
“En el sentido mas estricto, no existe hoy en día, un
procedimiento verdaderamente fundamental o racional, que sea
ampliamente aceptado en el campo de la Ingeniería de Pavimentos.
sin embargo, se está haciendo un gran esfuerzo hacia el uso de la
Teoría elástica lineal multicapa para que en un futuro próximo
esto pueda ser resuelto”.
Transcurridos mas de 30 años de esta expresión, ya casi se
puede resolver este inconveniente, al estar casi disponible la
Guía Mecanística-Empírica para el Diseño de Pavimentos.
Las carreteras experimentales
De Arlington a la Pista NCAT
2010
1921
MÉTODOS BASADOS EN ENSAYOS EN
“PRUEBAS DE CARRETERAS”
Fuente: Ing. Fernando Sánchez Sabogal, Apuntes Pavimentos
MÉTODOS BASADOS EN ENSAYOS EN
“PRUEBAS DE CARRETERAS”
Fuente: Ing. Fernando Sánchez Sabogal, Apuntes Pavimentos
MÉTODOS BASADOS EN ENSAYOS EN
“PRUEBAS DE CARRETERAS”
• Road Test de Bates, Illinois (1922 – 1923)
• Se reconoce la importancia de las cargas del tránsito y su distribución
por ejes en el diseño de pavimentos
• Se ensayaron pavimentos de ladrillo, asfalto y concreto
MÉTODOS BASADOS EN ENSAYOS EN
“PRUEBAS DE CARRETERAS”
• Road Test de Bates, Illinois (1922 – 1923)
• Se reconoce la importancia de las cargas del tránsito y su distribución
por ejes en el diseño de pavimentos
• Se ensayaron pavimentos de ladrillo, asfalto y concreto
Fuente: Ing. Fernando Sánchez Sabogal, Apuntes Pavimentos
MÉTODOS BASADOS EN ENSAYOS EN
“PRUEBAS DE CARRETERAS”
Road Test de Maryland (1949)
Fuente: Ing. Fernando Sánchez Sabogal, Apuntes Pavimentos
MÉTODOS BASADOS EN ENSAYOS EN
“PRUEBAS DE CARRETERAS”
Road Test de Maryland (1949)
• Realizada en la vía USA-301, una Autopista Interurbana.
• Estudio de grietas y deformaciones sólo en pavimentos rígidos
• Su objetivo principal es determinar el daño causado por distintos tipos
de ejes y con diferentes cargas por eje.
• Se emplearon ejes simples con cargas de 8,2 y 10,1 ton y ejes dobles
con cargas de 14, 5 y 20, 3 ton.
• Los principales resultados obtenidos son:
• Se establecen las primeras fórmulas de equivalencia de cargas, al determinarse
que el “efecto daño” de una carga de 10,1 ton era 1,50 veces mayor al producido
por una carga de 8,2 ton.
• Se determina el efecto de la velocidad de los vehículos sobre el pavimento, ya que
tramos con iguales cargas pero con camiones circulando a menos de 65 kph se
dañaban menos que con camiones a mas de esa velocidad.
• Se comprobó la importancia de las juntas de construcción, al verificar el efecto
del “bombeo (pumping” sobre ellas.
La carretera Experimental WASHO, Estado de Idaho, 1955
La carretera Experimental WASHO, Estado de Idaho, 1955
Fuente: Ing. Fernando Sánchez Sabogal, Apuntes Pavimentos
MÉTODOS BASADOS EN ENSAYOS EN
“PRUEBAS DE CARRETERAS”
La Carretera Experimental WASHO (1953 – 1955)
(Estado de Idaho, 1953.)
• Sólo se ensayaron pavimentos de asfalto
• Se construyeron dos circuitos de prueba
• Las cargas aplicadas fueron ejes simples de 18 k, 22,4 k, y ejes dobles
de 32 y 40 k
• Los espesores de capas asfálticas variaron entre 2 y 4 pulg, y la base
granular entre 0 y 4 pulg.
• Se valoró el daño en el pavimento según la carga aplicada
• Se determinaron primeras equivalencias de cargas por ejes según el
daño producido, al demostrase que el daño causado por una carga de
12,7 ton en un eje doble, causaba sobre el pavimento el mismo grado
de falla que una carga de 8,2 ton en un eje simple.
El Experimento Vial de la AASHO
1956-1962
El Experimento Vial de la AASHO
Su ubicación.
Chicago, Illinois
UticaOttawa
Futura I-80
ROAD TEST DE AASHO (1956 – 1962)
Estado de Illinois, USA
• Último gran ensayo
realizado en EEUU
• Introdujo el concepto de
serviceabilidad como
medida de calidad de
servicio al usuario
• Se estudiaron pavimentos
rígidos y flexibles
• Se dedujeron ecuaciones
en base a relaciones
empíricas de estados de
cargas.
El Experimento Vial de la AASHO
•Planificado entre 1951 y 1954
• En abril de 1955 se da inicio a los
trabajos de topografía y es en el
mes de agosto de 1956 cuando se inicia
la construcción de las pistas de prueba,
que concluye en septiembre de 1958,
El Experimento Vial de la AASHO
• Entre octubre de 1958 y septiembre
de 1960 se realiza la aplicación de
las cargas vehiculares.
•En octubre de 1961 se publican las
primeras “Guías Provisionales de
Diseño de Pavimentos”.
El Experimento Vial de la AASHO
• El costo de construcción fue de
27,0 MMUSS (a valor de 1960 =
aproximadamente 450 MMUS$ a
valor de 2008) distribuidos de la siguiente
manera: * 11,99 MM en construcción de las pistas
* 10,18 MM para operación e investigación
* 2,69 MM para gastos en personal técnico y tropa, y
* 2,14 destinados a gastos de administración y
construcción de barracas, oficinas y laboratorios.
OBJETIVOS DE LA CARRETERA
EXPERIMENTAL AASHO
• Determinar relaciones significativas entre repeticiones decarga y espesores requeridos.
• Determinar el efecto del peso de los vehículos en puentescon vigas de concreto armado, pretensado y de acero.
• Estudio especiales de bases granulares y estabilizadas,tipos de hombrillos, tamaño y presión de inflado de losneumáticos.
• Desarrollar instrumentos, procedimientos de ensayo,datos, tablas, gráficos y fórmulas para diseñar pavimentos.
• Obtener registro de recursos y materiales requeridos paramantener las secciones de prueba en condiciones de serensayadas.
• Determinar áreas que requiriesen estudios posteriores.
ESQUEMA DE PISTAS DE PRUEBA
AASHO ROAD TEST
Picture from: Highway Research Board Special Report 61A-G
Futura I-80
AASHO Road Test
Picture from: Highway Research Board Special Report 61A-G
Diseño típico de los circuitos de prueba
Longitud de 2070 ml
Secciones de 30 m de longitud
Canal derecho (2)
Canal izquierdo (1)
Cada sección de prueba tenía un largo de 30 m
y un ancho de 3,65 m
Longitud de 2070 ml
SECCIONES TÍPICAS EN LA CARRETERA
EXPERIMENTAL AASHO
Total de 462 secciones en
Pavimentos flexibles.
Construcción de los circuitos de prueba
Construcción de los circuitos de prueba
Construcción de los circuitos de prueba
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES EN LA
CARRETERA EXPERIMENTAL AASHO
• Pavimentos flexibles:• Sub-rasante A-6 (limo/arcilla), CBR entre 2 y 4 %
• Sub-base, mezcla arena y grava, CBR ente 28 y 51 %
• Base, piedra triturada, CBR 107.7 % en promedio
• Carpeta, HMA mezcla densa, asfalto PEN 85 - 100
• Pavimentos Rígidos:
• Cemento Tipo I
• Resistencia a los 7 días: f´c= 3500 psi (245 Kg/cm2) y S´c: 550 (39
Kg/cm2)
• Tamaño máximo: 1.5 – 2.5 pulgadas
CARGAS DE TRÁFICO EN LA
CARRETERA EXPERIMENTAL ASSHO
• Inicio de aplicación de cargas en
octubre de 1958
• Loops 3-6:
• 6 veh/carril
• 10 veh/carril (Ene 1960)
• Operación:
• 18 hr. 40 min.
• 6 días/semana
• Total Carga
• 1,114,000 Aplicaciones de
cargas (no ESAL’s)
• ESAL’s Promedio: 6.2 millones
• Máximo ESAL’s: 10 millones
(Flexible)
AASHO Road Test
Picture from: Highway Research Board
Special Report 61A-G
Camiones para la
aplicación de las
cargas
TRAFICO EN EL ROAD TEST AASHO
Eje simple máximo
Eje Tandem máximo
TRAFICO EN EL ROAD TEST AASHO
TRAFICO EN EL ROAD TEST AASHO
Co n el fin de garantizar que la sub-rasante fuese “una constante” e igual en cada
uno de los circuitos, se realizó un estricto control de calidad, demostrado en el
hecho de que, en cada circuito de prueba” se ejecutaron cerca de 8000 ensayos
de densidad de campo, prácticamente un ensayo cada 4 metros por cada capa de
15 cm de espesor.
Mezclas asfálticas en caliente densamente gradadas:
•Agregado grueso triturado de caliza
• Arena gruesa con agregado silíceo
• Polvo mineral de caliza triturada
• Cemento asfáltico de penetración 85-100
Los valores de estabilidad, flujo y %Vv Marshall promedio obtenido en
cada tipo de mezcla fue de 2000 lbs,11 centésimas de pulgada y 3,6% Vv
para la mezcla de rodamiento y de 1800 lbs, 11 centésimas de pulgada y
4,8% Vv para la mezcla intermedia.
¿Cómo incluir
la condición de
servicio del pavimento
en la ecuación de
diseño?
Se evaluaron 138 tramos
en servicio, en diferentes
Vías existentes.
100% rechazo , pero aún
transitable.
Pavimento intransitable
Condición del tramo en base
al promedio de cinco (5)
evaluadores.
Resultados de la evaluación de la “calidad
de rodaje”
La calidad de rodaje en un momento determinado es el
resultado de la OPINIÓN SUBJETIVA PROMEDIO
DE CINCO EVALUADORES en la escala de 1 a 5, y se
denomina “Calificación Actual de Calidad de Servicio”
(PSR por sus siglas en inglés Present Serviceability Rating),
más conocida como “Nivel de Serviceabilidad Actual”
Serviceabilidad = Servicapacidad = Idoneidad
CAPACIDAD DE PRESTAR SERVICIO
Correlación entre PSR y mediciones físicas
sobre la superficie del pavimento
Para poder medir la “calidad de rodaje” en
las futuras secciones de 30 ml en los
circuitos de prueba se hizo necesario
desarrollar correlaciones entre el PSR y
algunas propiedades físicamente medibles
en la superficie del pavimento.
Correlación entre PSR y mediciones físicas
sobre la superficie del pavimento
Esta determinación de la “calidad de
rodaje”, producto de mediciones físicas
correlacionadas con el PSR se denomina
“Índice de Servicapacidad Presente”, o
simplemente PSI, por sus siglas en inglés.
Mediciones del “estado de condición funcional” de
la superficie de rodamiento
Características físicas medidas para el PSI
También se midieron las áreas agrietadas
y reparadas en secciones de1000 ft2.
Mediciones del “estado de condición funcional” de
la superficie de rodamiento
La ecuación del PSI toma la siguiente forma:
PSI = 5,03 – 1,91*log (1+SV) – 1,38*RD2 –
0,01*(C+P)0,5
En donde:
* SV = varianza de las deformaciones longitudinales
* RD = promedio de las deformaciones transversales
* C = área de grietas por cada pie cuadrado
* P = área reparada por cada pie cuadrado
Las mediciones de PSR y PSI se realizan
periódicamente y se define el concepto de
“comportamiento”:
EVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO
AASHO-AASHTO
Pavimentos flexibles
• El resultado de los ensayos fueron relaciones empíricasentre:
• El espesor de la carpeta
• Magnitud de carga
• Tipo de ejes
• Número de aplicaciones de carga
• Pérdidas de calidad de rodaje
ESTRUCTURAL
FUNCIONAL
Ejemplo de número de pasadas de ejes para
alcanzar un PSI de 1.5
Rodamiento: 4 in 4 in
Base granular 3 in 3 in
Sub-base granular 8 in 12 in
Eje simple 18 k 106,000 1,100,000
Eje simple 30 k 72,000 373,000
Eje tamden 32 t 144,000 796,000
Eje tamden 48 t 80,000 573,000
Efecto de la carga de los vehículos
• Se dedujo la siguiente ecuación de diseño:
Donde:
logW: logaritmo del número esperado de aplicaciones para llegar a la serviciabilidadfinal
log ρ: Función de diseño y variables de carga que tienen en cuenta el número deaplicaciones de carga para llevar la calzada a una serviciabilidad de 1.5
G: Relación logarítmica entre la pérdida de serviciabilidad en un tiempo t y la pérdidapotencial a una serviciabilidad de 1.5
β: función de diseño y variables de carga que tienen influencia en la forma de la curvade serviciabilidad.
GW loglog
EVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTO
5.12.4
2.4log tG
23.3
2
19.5
23.3
2
)1(
081.04.0
X
XX
LSN
LL
Ecuaciones derivadas del Experimento Vial AASHO
G : Relación logarítmica entre la pérdida de serviceabilidad en un tiempo t y la pérdida potencial a una serviceabilidad de 1.5
β : Función de la diseño y variables de carga que tienen influencia en la forma de
la curva de serviceabilidad.
ECUACIÓN DE LA GUÍA AASHO 1972, aplicable en el sitio en elcual se realizó la prueba.
W18 : Número de aplicaciones de carga de 18 kips esperadas en el periodo de
diseño
SN : Número estructural
19.5
18
)1(
109440.0
20.0)1log(36.9log
SN
GSNW
Ecuaciones derivadas del Experimento Vial AASHO
5.12.4
2.4log t
EVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTO
ECUACIÓN DE LA GUÍA AASHTO 1962, aplicable en cualquierotro sitio distinto al sitio en el cual se realizó la prueba:
+ log(1/R)
W18 : Número de aplicaciones de carga de 18 kips esperadas en el periodo de
diseño
SN : Número estructural
R = Factor Regional, variable entre 0.5 y 5.0,
seleccionado subjetivamente por el Proyectista
19.5
18
)1(
109440.0
20.0)1log(36.9log
SN
GSNW
5.12.4
2.4log t
EVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTO
ECUACIÓN DE LA GUÍA AASHTO 1962, aplicable en cualquierotro sitio distinto al sitio en el cual se realizó la prueba, y con un
Material de sub –rasante diferente al empleado en la prueba AASHO
+ log(1/R) + 0.372 (Si – So)
W18 : Número de aplicaciones de carga de 18 kips esperadas en el periodo de
diseño
SN : Número estructural
R = Factor Regional, variable entre 0.5 y 5.0
Pt = Servicapacidad al final del periodo de diseño
Si = Valor soporte del material en el sitio de diseño
So = Valor soporte del suelo de fundación en el sitio de construcción del
Experimento Vial AASHO , al cual se le asignó un valor igual a 3.0
19.5
18
)1(
109440.0
20.0)1log(36.9log
SN
GSNW
5.12.4
2.4log t
Procedimiento de Diseño en la Guía Provisional
AASHO-62
Contenido de la Guía:
•Procedimiento 19 pp
• Apéndice A 1 pp
• Apéndice B 2 pp
• Apéndice C 2 pp
• Apéndice D 5 pp
• Apéndice E 3 pp
• Apéndice F 6 pp
• Apéndice G 3 pp
• Apéndice H 3 pp
TOTAL 44 pp
Proyecto LAVIRGEN-SAN JUAN DEL SUR
Cediarias(iniciales) = No. vehiculos por d'ia * EEquivalentes por vehiculo
Cediarias(totales ambos sentidos) = Cediarias(iniciales)* Factor de crecimiento
Factor de crecimiento = ([ (1+ TC)^n ] - 1) / ( TC) Año inicial 2007
Periodo de diseño = n = 20 años TC 5.80%
Ejes acumulados totales en el periodo de diseño = wt18 = Cediarias(totales ambos sentidos) * 365*fc*fd
Tipo TPDA EEvehiculo Cediarias(iniciales) TC Fcrecimiento
Veh.Livianos 1,682 0.0003 0.50 5.80% 36.00 18.17
Mbuses 53 0.4811 25.50 5.80% 36.00 917.98
Buses 114 0.7963 90.78 5.80% 36.00 3,268.50
C2-Liviano 234 0.0572 13.38 5.80% 36.00 481.64
C2pesado 181 0.5975 108.15 5.80% 36.00 3,893.74
C3 15 1.2633 18.95 5.80% 36.00 682.28
T3S2 238 2.1035 500.62 5.80% 36.00 18,024.58
T3S3 4 1.6478 6.59 5.80% 36.00 237.31
C2R2 4 2.5561 10.22 5.80% 36.00 368.13
TOTAL 2,525 774.69 27,892.33
Factor de distribuciòn por sentido 0.52
Factor de utilizaciòn de canal 1.00 Wt18= 5,293,963
Cargas totales
por dia (ambos
sentidos)
DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE
Factores de equivalencia AASHTO, para SN = 4 y pt = 2,5
Procedimiento de estimación de las cargas de diseño (Wt18)
Criterio de determinación del valor de Servicapacidad
Final (pt)
Criterio de determinación del valor de Factor Regional (R)
Criterio de determinación del valor de Factor Regional (R)
Ábaco para la
Selección del
Valor Soporte del
Suelo (Si)
Tabla para la
selección
de los valores
de los diferentes
“Coeficientes
Estructurales”
Ábaco para la obtención del valor de SN
Hoy se resuelve por medio de las
Calculadoras de bolsillo.
ECUACIÓN DE LA GUIA AASHTO 1962
El número estructural se convierte a una combinación de espesores de
capa, combinando coeficientes que representan la capacidad
estructural relativa del material de cada capa
ai : Coeficiente estructural de capa i
Di : Espesor (en pulgadas) de capa i
Ecuación resuelve SN sobre la capa de sub-rasante
NO HAY SOLUCIÓN ÚNICA!!
332211/ DaDaDaiSN
Algunos comentarios sobre el Experimento Vial AASHO
• Ensayo más completo en su tiempo , y que no ha sido igualadohasta esta fecha.
• Limitaciones:• Ubicación geográfica específica
• Tipo de vehículos en la época
• Bajo número de ejes equivalentes aplicados
• No considera procedimientos de rehabilitación
• Corta duración de pruebas experimentales
• Tránsito estimado para 20 años
• Empleo solo de CBRsaturado o IG para obtención del Si
• Procedimiento considera solo el cálculo de SN/sub-rasante
Algunos comentarios sobre el Experimento Vial AASHO
• Ensayo más completo en su tiempo , y que no ha sido igualadohasta esta fecha.
• Componentes que requerían verificación:• Factor regional (clima)
• Valor soporte de distintas sub-rasantes
• Coeficiente estructural para otros materiales
• Estudios complementarios en otras regiones de EEUU
• Verificación o validación de resultados
• Alimentar la base de datos estadísticos
• Definición más aproximada de fallas
LIMITACIONES QUE QUEDARON PENDIENTES
PARA EL EXPERIMENTO VIAL AASHO
Pista de Prueba mas recientes
La Pista de Prueba NCAT, Año 1999 y hoy vigente,
Proyecto conjunto adelantado por laUniversidad de
Alabama y la NAPA.
Pista de Prueba NCAT
Pista de Prueba NCAT
Experimentos estructurales en
la Pista NCAT
La Pista de Prueba de la NCAT
La Pista de Prueba de la NCAT
Pista de Prueba mas recientes
Westrack, pista de prueba
construida en 1995 por la
Universidad de Reno (Nevada),
bajo contrato con la FHWA
Pista de Prueba mas recientes
Estudios en Westrack
Otras pistas y sistemas de ensayos acelerados
(APT) en USA
Sistema APT en Florida
Pistas de prueba en Francia
Carrusel de fatiga, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia
ANTECEDENTES AL
DISEÑO MODERNO
DE PAVIMENTOS Y
EL EXPERIMENTO VIAL
DE LA AASHO
Gustavo Corredor M.
gcorredorm@cantv.net
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