FACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

DISEÑO DE PAVIMENTOS

TRABAJO ENCARGADO:“DISEÑO DE ESPESORES EN

PAVIMENTOS FLEXIBLES”

DEFINICIÓN DE PAVIMENTO:

Conjunto de capas de material seleccionado que reciben en forma directa las cargas del tránsito y las transmiten a los estratos inferiores en forma disipada, proporcionando una superficie de rodamiento, la cual debe funcionar eficientemente.

MTC: El pavimento es una estructura de varias capas construida sobre la subrasante del camino para resistir y distribuir esfuerzos originados por los vehículos y mejorar las condiciones de seguridad y comodidad para el tránsito. Por lo general, está conformada por las siguientes capas: Subbase, base y capa de rodadura

PAVIMENTO FLEXIBLE

Capas granulares (subbase, base) + capa de rodadura (carpeta constituida con materiales bituminosos como aglomerantes, agregados y de ser el caso aditivos)

Definición Estructural: La superestructura de una vía, construida sobre

la subrasante, compuesta 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, estos se distribuyen de tal forma que no produzcan

deformaciones perjudiciales, así como proveer una superficie lisa y resistente al tránsito

Definición EstructuralEstructura multicapas, compuesta por material

granular seleccionado y colocado sobre la subrasante de suelo natural, la cual es protegida

por una capa asfáltica.

Definición funcionalLa parte superior de una carretera, pista de

aterrizaje, o estacionamiento cuyo objetivo es servir al tráfico de una manera segura, cómoda, eficiente,

permanente y económica

A CONTINUACIÓN SE MUESTRA LA COMPOSICIÓN ESTRUCTURAL DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CONVENCIONAL.

TIPOS DE CLASIFICACIÓN:

El MTC clasifica a los pavimentos flexibles de la siguiente manera:

Pavimentos flexibles con capas granulares (subbase y base drenantes) y una superficie bituminosa de espesor variable menor a 25 mm, como son los tratamientos superficiales bicapa y tricapa.

Pavimentos flexibles con capas granulares (subbase y base drenantes) y una capa bituminosa de espesor variable mayor a 25 mm, como son las carpetas asfálticas en frío y en caliente.

DISEÑO DE ESPESORES

El concepto del diseño de pavimentos flexibles como rígidos, es determinar

primero el espesor de la estructura basado en el nivel de tránsito como en las

propiedades de los materiales; el período de desempeño de un pavimento está en función de la pérdida de serviciabilidad

COMPONENTES ESTRUCTURALES DE UN PAVIMENTO

Terraplén o terracerías:Material extraído de la zona de la obra o en zona de préstamo laterales, pudiendo ser en

corte, relleno o ambas, que sirve para soportar a la estructura del pavimento.

Finalidad: Alcanzar la altura necesaria para satisfacer las especificaciones geométricas, resistir las cargas de tránsito y distribuir los

esfuerzos, a través de su espesor para transferirlos al terreno natural.

Subrasante: Parte superior nivelada, perfilada y compactada; que servirá de apoyo a las diferentes capas que conforman la estructura del pavimento de espesor usual entre 0.30m y 0.45m, sobre

la cual se apoya el afirmado.

CUADRO: Clasificación de la subrasante

SubbaseSegún el diseño puede o no colocarse.

Función primaria de protección (drenaje y anticontaminante) de la base en un pavimento flexible o de las losas en un pavimento rígido; y

una función secundaria resistente principalmente en el caso de los pavimentos flexibles, pudiendo

ser granular o estabilizada.

Carpeta de RodaduraEs la capa más superficial.

Función principal: Proporcionar una superficie suave al deslizamiento y resistente al desgaste.

ELEMENTOS DE DISEÑO DE ESPESOR Cargas de Tránsito.

• Magnitud de la carga por eje.• Volumen y composición de la carga por eje.• Presión de las llantas y área de contacto.

Clima o Medio.• Temperatura y Humedad

Características de los Materiales.• Carpeta asfáltica (Resistencia y estabilidad), • Base o subbase granular (Graduación, resistencia y estabilidad).

Capas tratadas o estabilizadas• Resistencia y propiedades de carga repartidas tales como la fatiga.• Resistencia y estabilidad, clasificación del suelo y propiedades a carga

posiblemente repetidas.

TRÁNSITO

Son realizados con el propósito de obtener información relacionada con el movimiento de vehículos, en una sección o punto específico dentro de un sistema vial en estudio.

En los estudios del tránsito se puede tratar de dos situaciones:• Los estudios para carreteras con el tránsito

existente podrá proyectarse mediante los sistemas convencionales.

• Las carreteras nuevas requieren de un estudio de desarrollo económico zonal o regional que lo justifique.

Cálculo de tasas de crecimiento y la proyecciónSe puede calcular el crecimiento de tránsito utilizando una fórmula simple:

Tn = To (1+i)n-1  

en la que:Tn = Tránsito proyectado al año “n” en veh/día.To = Tránsito actual (año base o) en veh/día.n = Años del período de diseño.i = Tasa anual de crecimiento del tránsito. Definida en correlación con la dinámica de crecimiento socio-económico normalmente entre 2% y 6% a criterio del equipo del estudio.

OBTENCIÓN DE LA DEMANDA DE TRÁNSITO

La demanda o volumen de tráfico (IMDA), requiere ser expresado en términos de ejes equivalentes acumulados para el periodo de diseño. Un eje equivalente (EE) equivale al efecto de deterioro causado sobre el pavimento, por un eje simple de dos ruedas cargado con 8.2 tn de peso, con neumáticos con presión de 80 lb./pulg2.

El tránsito para diseño de pavimentos ha sido clasificado en rangos de número de repeticiones de ejes equivalentes.

Se requerirá como mínimo la siguiente información:

Identificación de “sub tramos homogéneos” de la demanda, en la ruta del estudio.

Conteos de tránsito en cada sub tramo (incluyendo un sábado o un domingo) por un período consecutivo de 7 días (5 día de semana + sábado + domingo), como mínimo, en una semana que haya sido de circulación normal. Los conteos serán volumétricos y clasificados por tipo de vehículo.

El estudio podrá ser complementado con información, de variaciones mensuales, proveniente de estaciones de conteo permanente del MTC, cercanas al tramo en estudio, que permita el cálculo del Índice Medio Diario Anual (IMDA).

Con los datos obtenidos, se definirá el Número de Repeticiones de Ejes Equivalentes (EE) para el periodo de diseño del pavimento.

Para el cálculo de los EE, se puede tomar el criterio simplificado de la metodología AASHTO, aplicando las siguientes relaciones para vehículos pesados, buses y camiones:

CUADRO: REQUISITOS MÍNIMOS PARA EL PAVIMENTO FLEXIBLEELEMENTO PAVIMENTO FLEXIBLE

Subrasante 95% de compactaciónSuelos Granulares - Proctor ModificadoSuelos Cohesivos - Proctor Estándar

Sub-base CBR ³ 40 %

Base CBR ³ 80 %

Imprimación/capa de apoyo Penetración de la Imprimación ³ 5 mm

Espesor de la capa de rodadura

Vías locales ³ 50 mm

Vías colectoras ³ 60 mm

Vías arteriales ³ 70 mm

Vías expresas ³ 80 mm

Material

Concreto asfáltico (El concreto asfáltico debe ser hecho preferentemente con mezcla en caliente. Donde el Proyecto considere mezclas en frío, estas deben ser hechas con asfalto emulsificado)

SUELO DE FUNDACIÓN

Se denomina suelo de fundación a la capa del suelo, bajo la estructura del pavimento, preparada y compactada como fundación para el pavimento. Se trata del terreno natural o la última capa del relleno de la plataforma sobre la que se asienta el pavimento.

METODOLOGIA

La metodología a seguir para la caracterización del suelo de fundación comprenderá básicamente una investigación de campo a lo largo de la vía, mediante la ejecución de pozos exploratorios.

Trabajo de campo Con el objeto de determinar las características físico-mecánicas de los materiales de la subrasante se llevarán a cabo investigaciones mediante la ejecución de pozos exploratorios de 1.5 m de profundidad mínima (respecto del nivel de subrasante del proyecto; con un mínimo de 3 calicatas por kilómetro, ubicadas longitudinalmente a distancias aproximadamente iguales y en forma alternada (izquierda-derecha) dentro de una faja de hasta 5m a ambos lados del eje del trazo, preferentemente al borde de la futura calzada.

Serán estudiados para la determinación de la CBR de la subrasante, las capas superficiales de terreno natural o capa de la plataforma en relleno, constituida por los últimos 1.50 m de espesor debajo del nivel de la subrasante proyectada, salvo que los planos del proyecto o las especificaciones especiales indiquen un espesor diferente.

CBR DE LA SUBRASANTE

DISEÑO ESTRUCTURAL

Capas estructurales de los pavimentos flexibles

- Modalidad 1: Pavimentos estructurados en base a capas granulares. - Modalidad 2: Pavimento estructurado en base a capas asfálticas que no aportan estructuras. - Modalidad 3: Pavimento estructurado en base a capas asfálticas con espesor importante.

1. PAVIMENTOS ESTRUCTURADOS EN BASE A CAPAS GRANULARES

Esta estructuración, es básicamente utilizada en caminos de bajo tránsito y representa la estructuración más económica. Su vida útil termina cuando su costo de mantención excede al costo de elevar su estándar a la estructura siguiente.

2. PAVIMENTO ESTRUCTURADO EN BASE A CAPAS ASFÁLTICAS QUE NO APORTAN ESTRUCTURAS

Esta estructuración considera, de arriba hacia abajo, un tratamiento superficial asfáltico, base estabilizada, sub-base granular y material de sub rasante. El tratamiento superficial permite un buen comportamiento de ellas, evitando su erosión debido al tránsito e impermeabilizándolas de las aguas superficiales.

3. PAVIMENTO ESTRUCTURADO EN BASE A CAPAS ASFÁLTICAS DE UN ESPESOR IMPORTANTE

Este tipo de estructuración ha sido divulgado ampliamente en todo el mundo y su uso está generalizado en nuestro país. Tuvo un gran avance tecnológico después de los estudios obtenidos en la pista de prueba de la AASHTO en Illinois U.S.A.

MÉTODOS DE DISEÑO

- Método AASHTO 93- Método AASHTO 2002- Método SHELL

Fue desarrollado por el equipo de investigación de la Shell y su procedimiento y fundamentos se encuentran en las Curvas Shell 1963, para el diseño de pavimentos flexibles. Basándose en la teoría de capas y en las ecuaciones de Burminster se han podido obtener los valores más críticos de las tensiones a que se encuentran sometida la estructura.

- Método del CBREl método Porter o del Valor Soporte California (CBR): desarrollado en California por Porter y entra dentro del grupo de los métodos empíricos. La idea directriz del autor fue la de buscar un procedimiento que teniendo en cuenta las propiedades de los materiales y el tránsito, fuera suficientemente simple para poder utilizar, no solamente en el laboratorio en la faz de proyecto, sino también en obra para hacer un control de la construcción efectivo.

MÉTODO AASHTO 93

Es un método empírico, basándose principalmente en trabajos de correlación de tipo estadístico. Ha recibido numerosas modificaciones y su forma actual se basa principalmente en la correlación establecida con los resultados de los caminos experimentales AASHTO. La investigación ha sido encarada tendiente a la utilización de espesores totales de mezcla bituminosa tipo concreto asfáltico (full depth), no obstante para la utilización de otros materiales de base se dan los coeficientes de equivalencia con los cuales se pueden hacer diseños alternativos y elegir la solución técnico-económica más conveniente.

El diseño se realiza suponiendo un número estructural del pavimento y se efectúa tanteos analíticamente hasta equilibrar la expresión de diseño.

El número estructural de un pavimento se obtiene del producto de ciertos coeficientes de Resistencia Relativa de cada una de sus capas.

La metodología de cálculo según la guía AASHTO hasta obtener el número estructural requerido para cada tipo de demanda del tránsito y tipo de subrasante del suelo.

La ecuación básica de equilibrio en el diseño para estructuras de pavimentos flexibles es la siguiente:

ECUACIÓN BÁSICA DE DISEÑO PROPUESTA POR AASHTO 93, ES:

DONDE:W18 = TraficoZr = Desviación estándar normal.So = Error estándar combinado de la predicción del trafico.∆PSI = Diferencia de serviciabilidad.Mr = Modulo resiliente.

SN = Numero estructural indicativo del espesor total del pavimento.

A = COEFICIENTE DE CAPA.D = ESPESOR DE CAPA (IN)M = COEFICIENTE DE DRENAJE DE LA

CAPA

Para convertir el SN a espesores de capas, se utilizan los coeficientes estructurales que representan los aportes de las distintas capas de la estructura del pavimento.

Según AASHTO, la ecuación SN no tiene una solución única. Modificando las combinaciones de espesores de cada capa, respetando los tipos de superficie de rodadura y espesores mínimos de las capas granulares, puede obtenerse un mismo número estructural al de diseño.

En el caso de las capas granulares, es deseable que la capa superior tenga siempre mayor capacidad estructural que la inferior. Esto es, la base granular tendrá mayor aporte que la sub base y ésta que la subrasante.

Las condiciones de drenaje de las capas granulares son consideradas a través de los coeficientes mi.

CONDICIONES DE DRENAJE

VARIABLES DE DISEÑO

- Espesor: Se determina en función al número estructural (SN).- Coeficiente de Capa: Es un valor numérico asignado a cada capa de material que conforma la estructura del pavimento, en función de su módulo de resiliencia ó CBR.- Serviciabilidad.- Tránsito.- El Módulo Resiliente.- Drenaje. en nuestra zona, la precipitación pluvial exige la construcción de obras de drenaje para evacuar los excesos de agua en el termino de un día- Confiabilidad- Conjunto total de las desviaciones estándar - (So).

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