diseño estructural de pavimento flexible

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y ARQUITECTURA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

“DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS FLEXIBLES”

INFORME TÉCNICO

Presentado por:

Bach. RAUL TUNI PARI

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:INGENIERO CIVIL

POR LA MODALIDAD DE EXAMEN DE SUFICIENCIA PROFESIONAL

PUNO - PERÚ

Universidad Nacional del Altiplano – Facultad de Ingeniería Civil y Arquitectura Escuela Profesional de Ingeniería Civil

2007

Diseño Estructural de Pavimentos Flexibles 2


UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANOFACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y ARQUITECTURA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

“DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS FLEXIBLES”

Informe Técnico para optar el Título Profesional de:

INGENIERO CIVIL

MIEMBROS DEL JURADO

………………………….……………….Ingº ZENON MELLADO VARGAS

PRESIDENTE

……………………………….………….Ingº EDGAR HURTADO CHAVEZ

1ER MIEMBRO

……………………….……………………….Ingº CARLOS GONZALES GUTIERREZ

2DO MIEMBRO

…………………………………………….Ingº ROXANA CONDORI MAMANI

3ER MIEMBRO

……………………..………………….Ingº WALTER LIPA CONDORI

DIRECTOR DE INFORME TÉCNICO

…………………………..…………….Ingº HEINER JARA BUSTAMANTE

ASESOR



DEDICATORIA

A mis queridos padres Eusebio y Juana, por su

ardua labor y estimulo constante; a mis hermanos

y queridos sobrinos, quienes en mi alientan el

espíritu de superación.

Raul Tuni Pari



AGRADECIMIENTO

Quiero expresar mi agradecimiento a los docentes de la

Escuela Profesional de Ingeniería Civil que hicieron

posible mi formación profesional.

Raul Tuni Pari



ÍNDICE

RESUMENCAPITULO I

INTRODUCCIÓN

1.1 JUSTIFICACIÓN1.2 OBJETIVOS DEL INFORME TÉCNICO

1.2.1 OBJETIVO GENERAL1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1.3 ALCANCES1.4 LIMITACIONES

CAPITULO IIMARCO TEÓRICO

2.1 PAVIMENTO2.1.1 TIPO DE PAVIMENTOS2.1.2 COMPONENTES ESTRUCTURALES DE UN PAVIMENTO

2.2 DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES2.2.1 ELEMENTOS DE DISEÑO DE ESPESOR2.2.2 MÉTODOS DE DISEÑO

2.3 MÉTODO DE DISEÑO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO2.3.1 PRINCIPIOS DE DISEÑO

2.4 MÉTODO. SHELL PARA EL DISEÑO DE ESPESORES DE PAVIMENTOS FLEXIBLES2.4.1 PARÁMETROS QUE SE DEBEN TENER EN CUENTA PARA EL DISEÑO

2.5 MÉTODO AASHTO 93 PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES2.5.1 FORMULACIÓN DEL DISEÑO2.5.2 DETERMINACIÓN DEL ESAL2.5.3 VARIABLES DE DISEÑO

CAPITULO IIIESTUDIO DE TRÁNSITO

3.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS VOLÚMENES DE TRANSITO3.1.1 DISTRIBUCIÓN Y COMPOSICIÓN DEL VOLUMEN DE TRÁNSITO3.1.2 VARIACIÓN DEL VOLUMEN DE TRÁNSITO DIARIA Y HORARIA.

3.2 VOLÚMENES DE TRÁNSITO FUTURO3.2.1 EL TRÁNSITO ACTUAL (TA)3.2.2 INCREMENTO DEL TRÁNSITO (IT) 3.2.3 TRÁNSITO FUTURO3.2.4 FACTOR DE PROYECCIÓN (FP)

3.3 ANÁLISIS DE TRÁFICO3.3.1 AFORO DE VOLUMEN VEHICULAR

3.4 ÍNDICE MEDIO DIARIO ANUAL (IMDA) 3.4.1 CÁLCULO DEL TPDS3.4.2 CÁLCULO DEL TPDA3.4.3 TASA ANUAL DE CRECIMIENTO DE TRÁNSITO3.4.4 DETERMINACIÓN DEL FACTOR CAMION POR LOS MÉTODO DE MOPT-INGEROUTE Y LA

UNIVERSIDAD DE CAUCA.3.4.5 DETERMINACIÓN FACTOR CAMIÓN



CAPITULO IVDATOS DE SUBRASANTE, SUBBASE Y BASE

4.1 DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE CBR DEL SUELO4.2 DETERMINACIÓN DEL CBR PARA LA SUBRASANTE.4.3 DETERMINACIÓN DEL CBR PARA LA SUBBASE.4.4 DETERMINACIÓN DEL CBR PARA LA BASE.4.5 DETERMINACIÓN DEL MODULO RESILIENTE A PARTIR DE DATOS DE CBR. 4.6 ESPECIFICACIONES GRANULARES.

4.6.1 DISPOSICIONES GENERALES PARA LA EJECUCIÓN DE SUBBASES GRANULARES, BASES GRANULARES.

4.6.2 REQUERIMIENTOS DE CONSTRUCCIÓN

CAPITULO VIDISEÑO DE ESPESORES

5.1 MÉTODO DEL INSTITUTO DE ASFALTO5.1.1 Determinación del valor del transito, EAL5.1.2 SELECCIÓN DEL MODULO DE RESILENCIA DE DISEÑO DE LA SUBRASANTE5.1.3 DETERMINACION DEL ESPESOR DE DISEÑO

5.2 MÉTODO SHELL PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES.5.2.1 PRINCIPIOS DE DISEÑÓ5.2.2 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO5.2.3 PROPUESTA DE ESPESORES UTILIZANDO EL MÉTODO SHELL.

5.3 MÉTODO AASHTO 935.3.1 PRINCIPIOS DE DISEÑÓ

CAPITULO VIEVALUACIÓN DE LOS MÉTODOS DE DISEÑO

6.1 DISEÑOS OBTENIDOS 6.1.1 ESPESOR PROPUESTO MEDIANTE EL USO DEL MÉTODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO6.1.2 ESPESOR OBTENIDO MEDIANTE EL MÉTODO SHELL6.1.3 ESPESOR MEDIANTE EL MÉTODO AASHTO 93.

CAPITULO VIICONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONESRECOMENDACIONESREFERENCIA BIBLIOGRÁFICAANEXOS



RESUMEN

En la actualidad, existen métodos de diseño de pavimentos flexibles, en el

presente informe técnico se considera tres métodos de diseño de pavimentos

flexibles y son los siguientes: Método del Instituto del Asfalto, Método Shell y el

Método AASHTO 93.

El tal sentido el estudio ha sido estructurado en 7 capítulos tratándose los más

relevantes de la forma siguiente:

En el capitulo I, se mencionan los aspectos generales; se hace referencia a la

necesidad de realizar estos diseños, así como también se describen justificación,

los objetivos generales y específicos del presente informe, alcances y limitaciones

de los métodos de diseño de pavimentos realizados.

En el capitulo II, consiste en el desarrollo del marco teórico, conceptos

fundamentales y la descripción de los métodos de diseños estructurales

estudiados, además se describe los parámetros y exigencias para el diseño

estructural de pavimentos flexibles.

En el capitulo III, se desarrolla el estudio del transito, características y análisis de

trafico determinando el transito promedio diario anual (TPDA), a partir de un

conteo semanal de vehículos, y a través de formulas de la ciencias de la

estadística; finalmente será el tránsito que se utilizara en el diseño para el calculo

de la carga de eje simple equivalente o Carga de un solo eje equivalente (ESAL),

además se muestra el cálculo del factor camión y el cálculo de la tasa anual de

crecimiento de tránsito asumiendo que estos datos corresponden a nuestra zona,

a partir de datos que se obtuvieron del Instituto Nacional de Estadística e

Informática. (INEI).

En el capitulo IV, Se desarrolla la capacidad portante del suelo, muestral la forma

de determinación del CBR a partir de diferentes ensayos realizados, en la cual se

tienen datos dispersos tanto para la subrasante, base y subbase, y tomando el

criterio recomendado por el Instituto del Asfalto; se procedió a seleccionar el CBR



mas adecuado, posteriormente a partir de estos datos se hallo el módulo resiliente

que es dato fundamental para el diseño de espesores de la estructura del

pavimento.

En el capitulo V, Consiste en determinar el cálculo de los espesores por cada

uno de los métodos estudiados en el capitulo I, considerando la manera de

obtención de los parámetros de diseño descritos por cada método.

En el capitulo VI, Contempla los resultados y el análisis de diseño estructural de

pavimentos flexibles, de cada uno de los métodos, en lo concerniente a los

resultados de espesores obtenidos.

En el capitulo VII, Finalmente se presenta las conclusiones y recomendaciones

del informe y los anexos utilizadas por el método del Instituto del Asfalto, Shell.



CAPITULO I

INTRODUCCIÓN

Por necesidad, los primeros caminos fueron vías de tipo peatonal, con la invención de la

rueda, apareció la carreta jalada por personas o por bestias y fue necesario acondicionar

los caminos para que el tránsito se desarrolle lo más “rápido” y “cómodo” posible.

La gran necesidad de calles y carreteras en muchos países al igual que muchos sistemas

dinámicos, los medios físicos y estáticos del tránsito, tales como las carreteras, las calles,

las intersecciones, los terminales, etc., están sujetos a ser solicitados y cargados por

volúmenes de tránsito, los cuales poseen características espaciales (ocupan un lugar) y

temporales (consumen tiempo). Las distribuciones espaciales de los volúmenes de

tránsito generalmente resultan del deseo de la gente de efectuar viajes entre

determinados orígenes y destinos, llenando así una serie de satisfacciones y

oportunidades ofrecidas por el medio ambiente circundante.

Las vías de comunicación son fundamentales, en el desarrollo de una nación, mas aun

las carreteras, que es por donde existe mayor desplazamiento por parte de las personas.

La mayoría de las carreteras requieren de ser asfaltados, ya que así se reducirían los

tiempos de viajes, los costos, además de brindar mayor seguridad a las personas durante

sus viajes; de allí la necesidad de realizar diseños de la estructura del pavimento con

métodos adecuados que aseguren la permanencia de la vía en buenas condiciones

durante su periodo de diseño.

Las distribuciones temporales de los volúmenes de tránsito son el producto de los estilos

y formas de vida que hacen las gentes que sigan determinando patrones de viaje

basados en el tiempo, realizando sus desplazamientos durante ciertas épocas del año, en

determinados días de la semana o en horas específicas del día.

Los errores que se cometan en la determinación de los parámetros anteriormente

mencionados, ocasionará que la carretera o calle funcione durante el periodo de

proyecto, bien con volúmenes de tránsito muy inferiores a aquellos para los que se

proyectó, o mal con problemas de congestionamiento por volúmenes de tránsito altos

muy superior a los proyectados.



Interesan para el dimensionamiento de los pavimentos las cargas más pesadas por eje

(Simple Tandem o Tridem) esperadas en el carril de diseño (el más solicitado que

determinara la estructura del pavimento de la carretera) durante el periodo de diseño

adoptado. La repetición de las cargas de tránsito y la consecuente acumulación de

deformaciones sobre el pavimento (fatiga) son indudablemente para el cálculo. Además

se deben tener en cuenta máximas presiones de contacto, las velocidades de

operaciones de vehículos (en especial las lentas en zonas de estacionamiento de

vehículos pesados).

1.1 JUSTIFICACIÓN

Los diseños de estructuras de pavimentos flexibles constituyen el factor principal,

económicamente hablando en la realización de un proyecto de carretera, se usan

variedad de métodos desarrollados por diversas entidades, corresponde al profesional

encargado elegir un método, que resulte adecuado su aplicación, para lo cual se hace

necesario la evaluación de por lo menos de tres métodos de diseño de pavimentos.

Con la evaluación de cada uno de los métodos de diseño, se tendría una ayuda

importante al momento de la toma de decisión del método a adoptar, además se podría

conocer parámetros que cada método considera.

En la mayoría de estos métodos, existe una variable común, que muchos autores

consideran la mas importante y está relacionada con la cantidad y composición de

vehículos que han de transitar por la vía, durante el tiempo proyectado de servicio óptimo

del pavimento.

1.2 OBJETIVOS DEL INFORME TÉCNICO.

1.2.1 OBJETIVO GENERAL.

Determinar los espesores de capas en los diseños de la estructura de pavimentos

flexibles proyectado en los métodos de: Instituto del Asfalto, Shell y AASHTO 93, para

lograr parámetros estructurales de diseño en el Altiplano

1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

Determinar los parámetros para el cálculo de Cargas de Ejes Equivalentes

Simples (ESAL), a partir de los datos del aforo vehicular para determinar los

diseños estructurales de pavimentos flexibles.



Calcular y determinar el Módulo de Resiliencia para la subrasante.

Determinar los coeficientes de capa para obtener el número estructural de diseño.

1.3 ALCANCES

Los diseños de espesores de la estructura del pavimento, obtenidos con los métodos

Instituto del Asfalto, Shell y AASHTO 93, podrán ser aplicables en proyectos que posean

características similares a las que se tomo en cuenta en el presente informe. Este informe

técnico, puede ser además una fuente de ayuda, para adoptar una metodología de

diseño y así posteriormente economizar los diseños de estructura del pavimento.

1.4 LIMITACIONES.

Para el desarrollo del presente informe se asume la ubicación del proyecto dentro del

Departamento de Puno.

Los diseños de espesores de la estructura del pavimento, fueron realizados adoptando

las metodologías propuestas por cada uno de los métodos, así como también se tomaron

en cuenta las recomendaciones que nos dan cada una de ellas.



CAPITULO II

MARCO TEORICO

Para realizar el diseño estructural de un pavimento flexible es necesario conocer

conceptos fundamentales como:

2.1 PAVIMENTO:

Se define como pavimento al conjunto de capas de materiales seleccionados que

reciben en forma directa las cargas de tránsito y las transmiten a las capas inferiores

distribuyéndolas con uniformidad. Este conjunto de capas proporciona también la

superficie de rodamiento, en donde se debe tener una operación rápida y cómoda.

2.1.1 TIPOS DE PAVIMENTOS

a. PAVIMENTOS FLEXIBLES

Tienen una base flexible o semirígida sobre la cual se ha construido una capa de

rodamiento formada por una mezcla bituminosa de material granular y algún lígate

asfáltico.

b. PAVIMENTOS RÍGIDOS

La superficie de rodamiento de un pavimento rígido es proporcionada por losas de

concreto hidráulica, las cuales distribuyen las cargas de los vehículos hacia las

capas inferiores por medio de toda la superficie de la losa y de las adyacentes,

que trabajan en conjunto con la que recibe directamente las cargas; en este tipo

de pavimentos no puede plegarse a las deformaciones de las capas inferiores sin

que se presente la falla estructural.

2.1.2 COMPONENTES ESTRUCTURALES DE UN PAVIMENTO

a. TERRAPLÉN.

Llamado también terracerías, se define como el volumen conformado con material

extraído a lo largo de la línea de la obra o con material extraído en zonas de

préstamo laterales, pudiendo ser este en corte, en relleno, o en corte y relleno

compensadas cuya porción superior nivelada, perfilada y compactada, sirve de

soporte a la estructura del pavimento.



El cuerpo del terraplén tiene entre sus finalidades la de alcanzar la altura

necesaria para satisfacer principalmente las especificaciones geométricas (sobre

todo en lo relativo a la pendiente longitudinal), resistir las cargas de tránsito

transmitida por las capas superiores y distribuir los esfuerzos a través de su

espesor para transportarlos en forma adecuada y uniforme al terreno natural, de

acuerdo con su resistencia.

b. SUB RASANTE

Es la 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.

Las principales funciones que cumple una subrasante, son:

Recibir y resistir las cargas del tránsito que le son transmitidas por la

estructura del pavimento.

Transmitir y distribuir de modo adecuado las cargas del tránsito al cuerpo del

terraplén.

Su capacidad de soporte en condiciones se servicio, junto con el tránsito y las

características de los materiales de construcción de la superficie de rodadura,

constituye las variables básicas para el diseño del afirmado.

Se identificaran 5 categorías de subrasante:

S0: SUBRASANTE MUY POBRE CBR < 3 %S1: SUBRASANTE POBRE CBR = 3 % - 5 %S2: SUBRASANTE REGULAR CBR = 6 % - 10 %S3: SUBRASANTE BUENA CBR = 11 % - 19 %S4: SUBRASANTE MUY BUENA CBR > 20 %

Se considera como materiales aptos para la coronación de la subrasante suelos

con CBR igual o mayor de 6 %, en caso de ser menor se procederá a eliminar esa

capa de material inadecuado y colocar un material granular con CBR mayor a 6 %

o se procederá a estabilizar esa capa superior de la subrasante con un

porcentaje.



c. SUB BASE

Es una capa que según el diseño puede o no colocarse. Se apoya sobre la

subrasante y los requisitos de los materiales que la conforman son menos

rigurosos, la razón de esto es que los esfuerzos verticales que se transmiten a

través de las capas de pavimentos son mayores en la superficie y van

disminuyendo a medida que se profundizan.

La sub-base tiene como una 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.

d. BASE

Capa principal de la estructura en los pavimentos flexibles y que en los

pavimentos rígidos puede reemplazar a la Sub-base, pudiendo ser de agregados

aglomerados con cemento Portland (como en el caso de las bases estabilizadas

con cemento) o de suelos sin aglomerar como en el caso de las Bases de Grava.

Su función es soportar apropiadamente las cargas transmitidas por los vehículos a

través de la carpeta y distribuir los esfuerzos a la sub-base o capa subrasante, en

tal forma que no les produzca deformaciones perjudiciales.

e. CARPETA DE RODADURA

Es la capa más superficial que estará en contacto con las solicitaciones y tiene

como función principal el proporcionar una superficie suave al deslizamiento y

resistente al desgaste. En el caso de los pavimentos rígidos, constituye además el

principal elemento estructural.

2.2 DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

La definición tradicional de pavimento flexible, lo describe como una estructura que

mantiene un contacto íntimo con las cargas y las distribuye a la sub rasante, su

estabilidad depende del entrelazamiento de los agregados, de la fricción de las

partículas y de la cohesión.



Por ello el pavimento flexible comprende a los pavimentos que están compuesto por

una serie de capas granulares rematadas por una capa de rodamiento asfáltico de alta

calidad relativamente delgada.

2.2.1 ELEMENTOS DE DISEÑO DE ESPESOR

a. Cargas de Tránsito.

Los factores de cargas principales en el diseño de pavimentos flexibles son:

Magnitud de la carga por eje.

Volumen y composición de la carga por eje.

Presión de las llantas y área de contacto.

b. Clima o Medio.

El clima o medio donde se construye el pavimento influye decisivamente en la

vida útil, resistencia y otras características de los diferentes materiales que

conforman el pavimento y la sub rasante. Los factores climáticos más importantes

son la temperatura y la humedad.

c. Características de los Materiales.

Un diseño apropiado de un pavimento flexible debe abarcar la total interpretación

de las características esenciales de los materiales que lo forman y de aquellos

sobre los que esta cimentado: Carpeta asfáltica (Resistencia y estabilidad), Base

o subbase granular (Graduación, resistencia y estabilidad).

d. 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.

2.2.2 MÉTODOS DE DISEÑO

En la actualidad existen métodos de diseño, como las que se muestra a

continuación:



Método AASHTO 93

Método AASHTO 2002

Método del Instituto del Asfalto.

Método SHELL

Método Triaxial de Texas

Método Triaxial de Smith

Método del CBR

Método del Cuerpo de Ingenieros, entre otros

El presente informe se presentara básicamente a los siguientes métodos de diseño:

método del Instituto del Asfalto, método SHELL y el método de AASHTO93.

2.3 MÉTODO DE DISEÑO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO.

La presente metodología considera 2 condiciones especificas de esfuerzos –

deformación, según se ilustra en las figura. 01 y 02. En la primera condición ilustrada

la carga por rueda W es transmitida a la superficie del pavimento a través de la llanta

como una presión vertical aproximadamente uniforme, Po.

La estructura del pavimento se distribuye los esfuerzos de carga, reduciendo su

intensidad hasta que en la superficie de la subrasante, tiene una intensidad de la

máxima presión vertical, disminuye con la profundidad de Po a P1. La segunda

condición asume, que la carga por rueda W, deflecta la estructura del pavimento

causando esfuerzos y deformaciones de tensión y compresión asfáltica.

Fig. 01. Distribución de la presión del neumático a través de la estructura del

pavimento



Fig. 02. La deflexión del pavimento trae consigo esfuerzos de compresión y

tensión en su estructura.

2.3.1 PRINCIPIOS DE DISEÑO.

a. BASES PARA EL DISEÑO

El pavimento se caracteriza como un sistema elástico multicapa. El material de

cada capa está caracterizado por su Módulo de Elasticidad y su coeficiente de

Poisson. El tráfico está expresado en términos del número de repeticiones de un

eje simple equivalente de 80 KN (18,000 libras), aplicado al pavimento en dos

juegos de ruedas duales. En el análisis. cada rueda dual está representada por

dos placas circulares con un radio de 115 mm (4,52’), espaciadas 345 mm

(13.57”) centro a centro, correspondiendo a una carga por eje de 80 KN (8,000

libras) y una presión de contacto de 483 KPa (70 psi).

El método puede ser usado para diseñar pavimentos asfálticos con varias

combinaciones de mezclas asfálticas de superficie y base; superficies de asfalto

emulsificado (con tratamiento superficial) y base; y con bases y sub bases de

agregados no tratados. La Fig. 03 muestra esquemáticamente algunas secciones

típicas de pavimentos.

Los “Pavimentos Asfálticos en Todo su Espesor” (Full-Depth) son modelados

como un sistema de 3 capas, mientras que los pavimentos con agregados no

tratados son modelados como un sistema de cuatro capas.

La sub rasante o capa más baja, se asume infinita en las direcciones vertical

hacia abajo y horizontal. Las capas del pavimento, de espesor finito, son

consideradas horizontalmente infinitas. Asimismo se asume que existe una

continuidad (fricción total) en la interfase entre capas.



b. CRITERIOS DE DISEÑO

En la metodología adoptada, se asume que las cargas en la superficie del

pavimento producen 2 deformaciones que son consideradas críticas para el

diseño (Figura. 03). Estas deformaciones unitarias son:

La deformación horizontal de tensión, Et en el fondo de la capa asfáltica.

Mas profunda. ya sea que se trate de concreto asfáltico o de una capa

tratada con asfalto emulsificado; y.

La deformación vertical de compresión Ec. en la parte superior de la capa

de subrasante.

Si la deformación tensional horizontal E1 es excesiva, se producirán Usuras en la

capa asfáltica, mientras que si la deformación vertical compresiva Ec, es excesiva,

se producirán deformaciones permanentes en la superficie del pavimento por

sobrecargar la subrasante.

Las deformaciones excesivas en las capas de materiales tratados se controlan

imponiendo ciertos límites en las propiedades de los materiales.

Fig. 03 Ubicación de las deformaciones consideradas en el procedimiento de

diseño. (Guía del Instituto del Asfálto).

c. DETERMINACIÓN DE VARIABLES DE DISEÑO

El tránsito:

De importancia fundamental se considera el número y peso de las cargas por eje

que se esperan aplicadas al pavimento durante su periodo de vida, es por ello que



es necesario el análisis del tránsito, el conocimiento del número de ejes

equivalentes de 8.2 toneladas que se expresarán en el carril de diseño y durante

el periodo de diseño.

Tabla 01. Porcentaje del tránsito total de camiones en el carril de diseño.

NUMERO DE CARRILES PORCENTAJE DE CAMIONES EN

(DOS DIRECCIONES) EL CARRIL DE DISEÑO

2 50

4 45

6 ó más 40

PORCENTAJE DEL TRAFICO TOTAL DE CAMIONES EN EL CARRIL DE DISEÑO

Ref. Guía para diseño de Pavimentos:AASHTO, 1993

Suelos de subrasante:

El Instituto del Asfalto y sus gráficas de diseño exige el conocimiento de la

resistencia de la subrasante la cual se determina por medio del módulo de

resiliencia (Mr), para lo cual se han establecido las siguientes relaciones

propuestas por el Instituto del Asfalto.

Tabla 02. Relaciones entre el Modulo Resiliente y el CBR

Mr (Kg / cm2) = 100 CBRMr (Mpa) = 10.3 CBRMr (LB / Pul2) = 1500 CBR

FTE: INSTITUTO DEL ASFALTO

Las expresiones anteriores no son aplicables a subbases o bases granulares.

Materiales para construcción de pavimentos:

En cuanto a la rodadura el método considera la utilización de mezclas asfálticas

del tipo de concreto asfáltico.

Las bases pueden ser de concreto asfáltico, estabilizadas con emulsión asfáltica o

granulares. Las bases estabilizadas con emulsiones asfálticas corresponden a

tres tipos de mezcla, según la clase de agregados utilizados.

Tipo I, Mezcla de emulsiones asfálticas con agregados procesados, densamente

graduados.



Tipo II, Mezcla de emulsiones asfálticas con agregados semiprocesados, de

trituración, bancos o carreteras.

Tipo III, Mezclas de emulsiones con arenas limosas.

Espesores mínimos de capa asfáltica sobre bases:

Tabla 03. Espesores mínimos de la capa asfáltica.

Cantidad de ejes equivalentes

Condición del tránsito

Espesores Mínimos de la capa asfáltica en cm

Hasta 10,000 Ligero 7.5Entre 10,000 y 1,000,000 Mediano 10

Mayor de 1,000,000 Pesado 12.5 o másFuente: Instituto del Asflato (MS - 1) 1,991

d. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

El diseño de pavimento por este método requiere de la ejecución ordenada de los

siguientes pasos:

Estimación del tránsito esperado durante el periodo de diseño (N).

Determinación de la resistencia de los suelos típicos de subrasante

Elección de los tipos de base y capa de rodadura a utilizar. Para cada tipo

de base elegido el método presenta una gráfica de diseño que permite

determinar los espesores de diversas capas del pavimento.

2.4 MÉTODO SHELL PARA EL DISEÑO DE ESPESORES DE PAVIMENTOS

FLEXIBLES.

Este método de tipo racional considera la estructura del pavimento (capa asfáltica,

capas granulares y subrasante), como un sistema multicapa linealmente elástico, 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 e isotrópicos y se supone que las capas tienen extensión infinita en

sentido horizontal. El tránsito se expresa en términos de ejes simples equivalentes de

8.2 toneladas, aplicadas por medio de sistemas de rueda doble con un área de

contacto circular con diámetro de 210 mm.



El método considera que el pavimento puede fallar por dos motivos:

Que la deformación horizontal por tracción (Єt) en la fibra inferior de las

capas asfálticas, al flexionar ellas bajo la acción de las cargas, supere cierto

límite admisible. En este caso se producirá el agrietamiento de dichas

capas.

Que la deformación (Єv) por compresión de la subrasante supere el límite

admitido por ella, caso en el cual se produce su deformación permanente y

consecuentemente la del pavimento.

Este procedimiento básico de diseño, supone al pavimento como una estructura

tricapa, tal como muestra la Figura. 05 la capa inferior, que es infinita en el sentido

vertical, representa la subrasante. La capa intermedia, representa las capas granulares

de base y subbase o, en pavimentos de estructura compuesta, las capas ligadas con

cemento, con cal construidas con escorias, materiales estos que el método considera

como cementados.

Fig. . 05. Estructura tricapa de un pavimento flexible. (Fuente: Alfonso Montejo

Fonseca).

Por ultimo, la capa superior del modelo representa todas las capas que se encuentren

ligadas con asfalto. Se considera además, que existe fricción completa entre una capa

y otra.



El método de diseño consiste en elegir la combinación de espesores y características

de los materiales (Є y μ) de las diversas capas del pavimento, de modo que las

deformaciones, horizontal por tracción (Єt) y vertical por compresión (Єv),

permanezcan dentro de límites admisibles durante el periodo de diseño del pavimento.

Los valores admisibles de las deformaciones Єt y Єv, se han hallado a través de

investigaciones de campo y laboratorio, encontrándose que la Єt es inversamente

proporcional al transito (N). Relación que se expresa mediante la siguiente ecuación:

Donde:

= Deformación por tracción en las capas asfálticas

N = Numero de repeticiones de carga.

a,b= Coeficientes determinados por experiencias de campo y laboratorio.

Igualmente, la es inversamente proporcional al transito (N) y se expresa así:

Donde:

= Deformación vertical por compresión.

N = Numero de repeticiones de carga.

c,d= Coeficientes determinados por experiencias de campo y laboratorio

En una primera serie presenta una combinación de espesores de las capas asfálticas

(h1) y de las capas granulares (h2) para que satisfagan los criterios de deformación

horizontal por tracción ( ), como se puede observar en la figura 06. Los espesores a1

en capas asfálticas y a2 en capas granulares, combinados, cumplen con ese requisito.

En una segunda serie presenta una combinación de espesores de las capas asfálticas

y capas granulares que satisfacen los criterios de deformación vertical por compresión

(Figura 07). La combinación de los espesores a3 y a4 cumplirán con este requisito.



Ahora bien, como lo que se requiere es satisfacer simultáneamente los dos criterios

básicos para el diseño estructural, la shell fusionó las dos curvas de las figuras 06 y 07,

dando origen con ello a las cartas de diseño que actualmente utiliza el método

mediante el siguiente razonamiento:

1. Si eligiésemos de la figura 08 un espesor de pavimento a5, en capas asfálticas,

este satisfacerla dos criterios ( y ), aunque el criterio de deformación por

compresión ( ) se cumpliría con un espesor mayor al mínimo requerido para

cumplir la .

2. si se elige la figura 08 un espesor de pavimento a6, este apenas sería necesario

para satisfacer el criterio de deformación por tracción ( ), mas no el de

deformación por compresión .

3. si se adopta un espesor de pavimento a7 en capas asfálticas y a8 de capas

granulares, se cumpliría con el criterio de deformación por compresión ( ) pero

no el de deformación por tracción ( ). Cuando esto sucede, se debe aumentar el

espesor de las capas granulares hasta a9 para cumplir también con el criterio de

deformación por tracción.

Sin embargo, se aconseja considerar espesores de capas granulares mayores a aquel

donde se cruzan las curvas, ya que una pequeña reducción en el espesor de las capas

asfálticas da lugar a un incremento apreciable de capas granulares. En consecuencia,

una curva de diseño es una envolvente de otras dos que están vinculadas con los

criterios de deformación ( y ).

Figura 06. Curva que satisface el criterio de deformación por tracción en la fibra inferior de

las capas asfálticas. (Fuente: Alfonso Montejo Fonseca).



h1

Linea que satisface

el criterio de єv

a4 h2

a3

Figura 07. Curva que satisface el criterio de deformación por compresión en la subrasante.

(Fuente: Alfonso Montejo Fonseca).

Figura 08. Envolvente que satisface simultáneamente y . (Fuente: Alfonso Montejo

Fonseca).

Sin embargo se aconseja usar espesores de capas granulares mayores a aquel donde

se cruzan las curvas, ya que una pequeña reducción en el espesor de las capas

asfálticas da lugar a un incremento apreciable de las capas granulares. En

consecuencia, una curva de diseño es una envolvente de otras dos que están

vinculadas con los criterios de deformación ( y ).

2.4.1 PARÁMETROS QUE SE DEBEN TENER EN CUENTA PARA EL DISEÑO.

a. El tránsito:

El dato de tránsito, requerido para el diseño del pavimento, por el método Shell,

se efectúa a través del número acumulado de ejes equivalentes de 8.2

toneladas, por eje sencillo, se espera que circulen sobre el pavimento durante el



periodo de diseño. Su valoración se hace mediante la siguiente expresión.


Siendo:

TPD=transito promedio diario, proyectado para el primer año de servicio del

pavimento.

A= % de vehículos comerciales (buses + camiones).

B= % de vehículos comerciales que emplean el carril de diseño.

n= Periodo de diseño (años).

r= Tasa de crecimiento anual del transito.

FC= Factor camión

b. La temperatura:

El método concede especial importancia a la temperatura de la zona donde va a

quedar construido el pavimento aunque las variaciones diarias y estacionales no

presentan influencia significativa en los módulos de elasticidad de las capas

granulares, si son influyentes en las capas asfálticas a causa de la susceptibilidad

térmica del asfalto que las constituye. El comportamiento de una mezcla asfáltica

igual es diferente en clima frío que en caliente.

Por las razones anteriores este método presenta un procedimiento para estimar

una temperatura media anual ponderada del aire en la región del proyecto la cual

se define a partir de temperaturas medias mensuales del aire (MMAT), los

factores de ponderación se obtienen de la figura. 09.



Fig. 09. Curva de ponderación de temperatura. (Fuente: Alfonso Montejo Fonseca).

c. Las propiedades de la subrasante, subbase y base:

El método exige un conocimiento del módulo dinámico de elasticidad de la

subrasante que es conocido como el modulo de resiliencia (Mr) evaluado en

circunstancias en el que el suelo se encuentre en su densidad de equilibrio.

Cuando no sea posible efectuar ensayo por no tener los equipos de laboratorio, se

acude a los ensayos tradicionales de resistencia (CBR) y en base a ello se

determina en forma indirecta el modulo de resiliencia. En nuestro medio el ensayo

más difundido es el de CBR y la ecuación que permite determinar el modulo de

resiliencia es:

Mr=107xCBR (N/m²)

Mr=100xCBR (kg/cm²)



Para determinar el módulo resiliente de la base y subbase, Shell emplea la misma

correlación utilizada para la subrasante.

d. Características de la mezcla asfáltica:

Existe infinidad de variables de Mezclas Asfálticas, Shell considera dos

propiedades que son fundamentales:

Su módulo de elasticidad dinámico a cortos tiempos de aplicación de carga (stiffness).

Resistencia de la mezcla a la fatiga, es decir, al agrietamiento por su flexión repetida bajo la acción de cargas.

Con relación a stiffness el método distingue dos tipos de mezclas; las S1 que son

mezclas corrientes de cemento asfáltico de alta rigidez y con contenidos normales

o promedios de agregados, de asfalto y de vacíos con aire. Las mezclas del tipo

S2 son mezclas de baja rigidez, mezclas abiertas que tienen un alto contenido de

vacíos con aire y un bajo contenido de asfalto. Dentro de este tipo también se

incluyen las mezclas con un alto contenido de asfalto como es el caso arena-

asfalto.

En cuanto a la fatiga, el método distingue dos tipos de mezclas: las F1 que tienen

alta resistencia y que tiene cantidades moderadas de vacío con aire y de asfalto, y

las F2, de baja resistencia y que tienen altos volúmenes de vacíos con aire.

El método considera únicamente dos tipos de cemento asfáltico para la

elaboración de mezclas asfálticas; los de penetración 50 que se emplean en

climas cálidos y los de penetración 100 que se emplean en climas fríos.

Con base a lo anterior, la Shell reconoce para el diseño ocho tipos o códigos de

mezclas asfálticas y presenta graficas de diseño diferentes para cada una de

ellas, estos son:

S1-F1-50 S2-F1-50

S1-F2-50 S2-F2-50

S1-F1-100 S2-F2-100

S1-F2-100 S2-F2-100

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:



Determinación del índice de penetración y temperatura T800 del asfalto.

El asfalto con el cual se va a elaborar la mezcla asfáltica y que se usara en

la obra, se hacen varios ensayos de penetración a diferentes temperaturas

para determinar su susceptibilidad térmica y con la ayuda de la gráfica de

Heuklom (figura 10)

Figura 10. Nomograma para calcular el índice de penetración y la temperatura T800.. (Fuente: Alfonso Montejo Fonseca).

Cuanto más bajo sea el IP, más susceptible será el asfalto a los cambios de

temperatura. Los mejores asfaltos para pavimentaciones tienen valores IP que

oscilan entre -1 y +0.5.

Determinación del Stiffnes del asfalto a la temperatura de trabajo en

obra.

Se emplea la gráfica de Van Deer Piel (figura 11). Para ello es necesario

conocer la siguiente información:



o Índice de penetración

o Tiempo de aplicación de la carga. La Shell recomienda emplear un

tiempo de 0.02 seg. Que corresponde a una velocidad del vehiculo de

50-60 km/hora.

o

Siendo Tmezcla, la temperatura de la mezcla que es función de la

temperatura del ambiente y se obtiene de la figura 12.

Determinación del Stiffness de la mezcla asfáltica.

Se emplea la gráfica de Heukelom (figura 13.) y para ello es necesario

conocer, además el Stiffness del asfalto, la composición volumétrica de la

mezcla asfáltica de acuerdo con el diseño de ella en el laboratorio. Para el

caso de las mezclas asfálticas en caliente el diseño se basa en el método

Marshall.

Como por ejemplo se asume una dosificación de:

Agregados 78%

Asfalto 13%

Aire 9%



Figura 11. Nomograma de Van Der Poel para determinar el modulo dinámico

(Stiffness) del asfalto. (Fuente: Alfonso Montejo Fonseca).



Fig 12. Relación entre la temperatura efectiva de las capas asfálticas y MMAT o

MAAT. (Fuente: Alfonso Montejo Fonseca).

Se entra a la grafica partiendo del Stiffness del asfalto (6x106 N/m²), volumen

del asfalto 13%, volumen del agregado 78%; se obtiene un Stiffness de la

mezcla de 7x108 N/m².



Fig 13. Nomograma de cálculo del mádulo dinámico (Stiffness) de mezclas asfálticas.




Identificación del código de rigidez de la mezcla (Tipo S1 o S2)

Se emplea la figura 14, en la cual se ubica el punto de confluencia del

Stiffness del asfalto y de la mezcla.

Con el Stiffness del asfalto de 6x106 N/m² y el Stiffness de la mezcla 7x108

N/m². Se observa que el punto de confluencia se halla más cerca de la

curva S2, por consiguiente este el tipo de mezcla que hay que adoptar.

Determinación de la deformación máxima admisible especifica de

tracción en la fibra interior de las capas asfálticas.

Se emplea para su determinación la Figura 15, se entra en ella con el

Stiffness de la mezcla y el volumen de asfalto, luego se prolonga la línea

que los une hasta el marco del cuadro, para posteriormente trazar una línea

horizontal hasta hallar la recta que corresponde al tránsito expresado como

N (a manera de ejemplo se asumirá N=5x106 ejes equivalentes de 8.2

toneladas) desde ese punto se traza una vertical hasta hallar la abscisa

inferior la deformación horizontal por tracción que es = 4x10-4.

Identificación del código de fatiga de la mezcla

Se emplean las Figuras 16 y 17. En ambas gráficas se busca el punto de

confluencia entre el Stiffness de la mezcla (7x108 N/m²) y la deformación por

tracción (4x10-4).

En la figura 16 que corresponde al tipo F1, el punto de confluencia

pertenece a un N=3x106 ejes equivalentes de 8.2 toneladas y en la figura 18

que corresponde al tipo F2 se encuentra un N=4x105 equivalentes. Se

adopta el F1 ya que queda mas cerca del dato del ejemplo que es N=5x106

ejes equivalentes.

Identificación del código total de la mezcla.

Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en la (Identificación del

código de rigidez de la mezcla (Tipo S1 o S2) y Identificación del

código de fatiga de la mezcla), se concluye que la mezcla es del tipo S2-

F1 código al que hay que adicionarle el tipo de asfalto empleado con base

en la penetración obtenida. Como en el ejemplo se tiene un valor de 60



(1/10 mm) para 25°C se adopta el valor 50 (solo existe la elección entre 50

o 100), ya que esta mas próximo al del ensayo. En definitiva, el tipo de

mezcla asfáltica tendrá el siguiente código:

S2-F1-50

Fig 14 Relaciones entre la rigidez de la mezcla y la rigidez del asfalto. (Fuente: Alfonso

Montejo Fonseca).



Fig 15. Nomograma de fatiga para determinación FAT de la mezclas en función

de Sm y Vd. (Fuente: Alfonso Montejo Fonseca).



Fig 16. Características de la fatiga F1. (Fuente: Alfonso Montejo Fonseca).

Fig 17. Características de fatiga F2. (Fuente: Alfonso Montejo Fonseca)..



Fig 2.18. Relaciones entre deformaciones admisibles por fatiga, rigidez de la mezcla y vida por fatiga. (Fuente: Alfonso Montejo Fonseca).

e. Diseño estructural:

Empleo de las gráficas de diseño

En una grafica SHELL los espesores necesarios de las diversas capas del

pavimento se hallan en base a cuatro parámetros:

o Cantidad de pasadas de ejes de 8,2 toneladas (N, entre 104 -108).

o Clima evaluado por la temperatura media anual ponderada del aire w-

MAAT y presenta valores para (4°-12°-20°-28°C).

o Modulo de elasticidad de la subrasante.

o Código de mezcla.

En cualquier gráfica de diseño tres de los valores son constantes y el otro

variable y por lo tanto, deberá escogerse una gráfica de diseño apropiada

en función de los datos de que se dispongan.



El juego de gráficas básicas de diseño Shell (Gráficas HN1 a 128) muestra

los espesores totales de las capas asfálticas (h1), en función del espesor

total de las capas granulares (h2). En ellas el parámetro variable es N

siendo los valores fijos de la temperatura (w-MAAT), el modulo resiliente

(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 graficas, derivados todos ellos

de las curvas HN.

Las gráficas HT(1-72) presentan como variable la temperatura w-MAAT.

Las gráficas TN(1-48) permiten la interpolación entre valores de N y la

temperatura dando valores fijos de los espesores de las capas granulares.

Finalmente, la Shell presenta un juego de gráficas en las cuales el espesor

de las capas asfálticas se presentan en función del MR de la subrasante,

tomando como variable el transito N. son las graficas presentadas en el

anexo.

Cuando los datos numéricos para el diseño dado coinciden con los que

suministran las gráficas, los espesores de las diferentes capas pueden

tomar de la gráfica respectiva. En caso contrario se requieren

interpolaciones sucesivas.

Para una mejor comprensión del método se hará un ejemplo en el que se

presentaran varias alternativas, que cumplen con los requisitos mínimos de

deformación horizontal y vertical. Al final se deberá hacer un análisis de

costos para definir cual es la alternativa más económica.



2.5 MÉTODO AASHTO 93 PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES.

2.5.1 FORMULACIÓN DEL DISEÑO

El diseño se realiza suponiendo un número estructural del pavimento y se efectúa

tanteos analíticamente hasta equilibrar la expresión de diseño o a través de

nomogramas. El número estructural de un pavimento se obtiene del producto de

ciertos coeficientes de Resistencia Relativa de cada una de sus capas

constituyentes, de acuerdo al tipo de material.

El diseño está basado primordialmente en identificar o encontrar un “número

estructural SN” para el pavimento flexible que pueda soportar el nivel de carga

solicitado.

La ecuación básica de diseño propuesta por AASHTO 93, es la siguiente:

Donde:

W18 = Trafico

Zr = 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

2.5.2 DETERMINACIÓN DEL ESAL

Una vez determinado el numero de vehículos que transitan en el carril de diseño y

durante el periodo de diseño, es posible convertir esta cantidad de vehículos

comerciales a ejes simples equivalentes a 8.2 tn, mediante la siguiente ecuación.



Donde:

N= Número de ejes equivalentes de 8.2 ton.

TPD= Transito promedio diario inicial.

A= % estimado de vehículos pesados (buses y camiones).

B= % de vehículos pesados que emplean el carril de diseño.

r= Tasa anual de crecimiento de transito.

n= Periodo de diseño.

F.C.=Factor camión.

2.5.3 VARIABLES DE DISEÑO

a. Espesor:

El espesor del pavimento flexible se determina en función al número estructural

(SN) determinado en la ecuación de diseño, relacionando luego con dicho valor

por tanteos, los coeficientes de capa con espesores mínimos recomendados por

AASHTO ó realizando un análisis de diseño por capas.

Luego el diseño optimo económico es aquel donde el mínimo espesor de base es

usado; desde que es generalmente impractico y antieconómico colocar espesores

de capas menores que un espesor minimizo.

Tabla 04. Espesores mínimos según Trafico ESAL.

Tráfico ESAL's Concreto AsfálticoBase de

agregadosMenos de 50,000 1.0 450,001-150,000 2.0 4

150,001-500,000 2.5 4500,001-2'000,000 3.0 6

2'000,001-7'000,000 3.5 6mayor que 7'000,000 4.0 6

Fuente: Guía para diseño de estructuras de pavimento, AASHTO, 1993

ESPESORES MINIMOS (pulg)

La estructura de un pavimento flexible, es un sistema estratificado y debe ser

diseñado consecuentemente. El procedimiento de análisis de diseño por capas

consiste en calcular primeramente el número estructural requerido sobre el suelo

de fundación (Sub-rasante), de la misma manera se determina el número



estructural requerido sobre las capas base y sub-base, usando valores de

resistencia aplicables para cada una de ellas.

Trabajando con las diferencias entre los números estructurales calculados

requeridos sobre cada capa, es decir el máximo número estructural permisible

para el material de sub-base deberá ser igual al número estructural requerido

sobre la sub-base restado del número estructural requerido sobre el suelo de

fundación. De manera similar se determina los números estructurales de las otras

capas.

b. 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 elasticidad ó CBR

respectivo, con el objeto de convertir el espesor de cada capa, en el número

estructural (SN) obtenido. Este coeficiente de capa expresa la relación empírica

entre “SN” y el espesor total del pavimento.

Coeficiente de capa a1:

La Figura 19, muestra una carta utilizada por ASSHTO para estimar el

coeficiente estructural de capa de una superficie de concreto asfáltico (a1),

basada en su Estabilidad Marshall.

La Figura.19. Coeficiente a1 basada en su Estabilidad Marshall. (Fuente: Guía

para diseño de estructuras de pavimentos, AASHTO 1993).



También existe un ábaco planteado por la AASHTO que relaciona el módulo

resiliente del concreto asfáltico con el coeficiente estructural a1, que es el

mostrado en la figura 20.

La Figura 20. Coeficiente estructural a partir del Módulo elástico del concreto

asfáltico. (Guía para diseño estructural de Pavimentos AASHTO 1993).


Para la determinación del coeficiente de capa a2, se pueden utilizar los

siguientes ábacos dependiendo de que tipo de base se tenga.

Para encontrar el valor de coeficiente de capa a2 de las bases trituradas o

granulares, se usa la presente figura 21, en la cual la línea vertical del lado

extremo derecho, horizontalmente se traza una línea hasta encontrar la

línea vertical del extremo, lo cual da un valor de a2.



La Figura 21. Determinación del coeficiente de capa a2 (fuente: Guía para diseño de estructuras de pavimentos, AASHTO, 1993)

La Fig. 22. Variación de a2, en bases tratadas con cemento para diferentes parámetros de resistencia a2. (fuente: Guía para diseño de estructuras de pavimentos, AASHTO, 1993).



La Fig. 23. Variación de a2, en bases tratadas con asfalto para diferentes parámetros de resistencia. a2. (fuente: Guía para diseño de estructuras de pavimentos, AASHTO, 1993)


Para encontrar el valor de coeficiente de capa a3 de las subbases, se usa

el ábaco de la figura 24, en la cual la línea vertical del lado extremo

derecho, horizontalmente se traza una línea hasta encontrar la línea

vertical del extremo, lo cual da un valor de a3.



La Fig. 24. Variación del coeficiente a3 con diferentes parámetros de resistencia de la subbase. a2 (fuente: Guía para diseño de estructuras de pavimentos, AASHTO, 1993).

c. Serviciabilidad

La serviciabilidad de una estructura de pavimento, es la capacidad que tiene éste

de servir al tipo y volumen de tránsito para el cual fue diseñado. La medida

primaria de la serviciabilidad es el índice de Serviciabilidad Presente. El

procedimiento de diseño AASHTO predice el porcentaje de perdida de

serviciabilidad (∆PSI) para varios niveles de tráfico y cargas de ejes.

Se denomina Serviciabilidad Inicial (Po) a la condición que tiene un pavimento

inmediatamente después de la construcción del mismo, esta en función directa del

diseño de la estructura del pavimento y la calidad con la que se construye la

carretera. Se denomina Serviciabilidad final (Pt) a la calificación que esperamos

tenga el pavimento al final de su vida útil. Los valores que recomienda la AASHTO

son:



Serviciabilidad inicial.

Po = 4.5 para pavimentos rígidos

Po = 4.2 para pavimentos flexibles

Serviciabilidad final.

Pt = 2.5 Autopistas.

Pt = 2.0 Carreteras.

Pt = 1.8 Zonas industriales.

Pt = 1.8 Pavimentación urbana principal.

Pt = 1.5 Pavimentación urbana secundaria.

Tabla 05. Calificación de serviciabilidad según Índice de servicio.

Índice de servicio

Calificacion

5 Excelente4 Muy Bueno3 Bueno2 Regular1 Malo0 Intransitable

Fte: Guía para diseño de estructuras de pavimento, AASHTO, 1993

SERVICIABILIDAD

d. Tránsito.

El método de diseño se basa en el número de ejes equivalentes de 18 kips en el

carril de diseño (W18) valor que es conocido en nuestros medios como ESAL.

e. Módulo Resiliente Efectivo de la Sub-rasante

La propiedad definida de material usada para caracterizar al suelo de fundación

en el diseño de pavimentos flexibles, es el Módulo Resiliente (MR), el mismo que

se determina en laboratorio por el método de ensayo AASHTO T 724.

El Módulo Resiliente ó Elástico es una medida de la propiedad elástica del suelo,

tomando en cuenta ciertas características no lineales, y es usado directamente

para el diseño de pavimentos flexibles.

Se ha reconocido internacionalmente como un método para la caracterización de

materiales, en el diseño y evaluación de pavimentos.



AASHTO propone las siguientes relaciones las que se encuentran en función del

CBR:

MR= 17.3 CBR0.64 CBR entre 1-12 (MPa)

MR= 22.1 CBR0.55 CBR entre 12-80 (MPa)

f. Drenaje.

Los valores de los coeficientes de drenaje, dependen de la calidad percolante de

las capas de drenaje; al tener capas de drenaje con valores mayores que la

unidad, entonces es factible la posibilidad de diseñar paquetes estructurales con

espesores menores; en el caso que el drenaje no es bueno, el coeficiente es

menor que la unidad lo que obligara a diseñar un paquete estructural con mayor

espesor, que permita resistir en igualdad de condiciones el tránsito para el que fue

diseñado; un mayor espesor de paquete estructural, no garantiza el tener un buen

drenaje.

El objeto de evaluar el análisis del drenaje en el diseño de pavimentos, tiene por

objeto de eliminar la posibilidad de la reducción de la vida útil de pavimento por el

efecto que produce el agua al presentarse dentro del paquete estructural; en

todos y cada uno de los casos en que se prevean problemas de humedad

deberán diseñarse estructuras de drenaje.

Coeficientes de drenaje (mi): Este coeficiente se determina con base a las

siguientes condiciones:

Drenaje Excelente Agua eliminada en dos horas

Bueno Agua eliminada 1 día

Regular Agua eliminada 1 semana

Pobre Agua eliminada 1 mes

Malo (el agua no drena)

Tabla 06. Coeficientes de drenaje.

<1 1-5 5-25 >25Excelente 1.40-1.35 1.35-1.30 1.30-1.20 1.20Bueno 1.35-1.25 1.25-1.15 1.15-1.00 1.00Regular 1.25-1.15 1.15-1.05 1.05-0.80 0.80Pobre 1.15-1.05 1.05-0.80 0.80-0.60 0.60Muy Pobre 1.05-0.95 0.95-0.75 0.75-0.40 0.40Fuente: Guía para diseño de estructuras de pavimento, AASHTO, 1993

Calidad de drenaje% de tiempo del año en que el pavimento esta expuesto a niveles de

saturacion

Coeficientes de drenaje Cd



g. Confiabilidad.

Este valor se refiere al grado de seguridad ó veracidad de que el diseño de la

estructura de un pavimento, puede llegar al fin de su período de diseño en buenas

condiciones. La tabla mostrada a continuación muestra los niveles de confiabilidad

recomendables para clasificaciones diferentes

Tabla 07. Clasificación de Niveles de Confiabilidad.

Urbano RuralAutopistas 85.5% - 99.9% 80% - 99.9%Arterias Principales 80% - 99% 75% - 95%Colectoras de transito 80% - 95% 75% - 95%Carreteras locales 50% - 80% 50% - 80%Fuente: Guía para diseño de estructuras de pavimento, AASHTO, 1993

ClasificaciónNiveles de Confiabilidad Recomendado

Tabla 08. Desviación estándar normal según confiabilidad.

50 0.00060 -0.25370 -0.25475 -0.67480 -0.84185 -1.03790 -1.28291 -1.34092 -1.40593 -1.47694 -1.55595 -1.64596 -1.75197 -1.88198 -2.05099 -2.327

99.9 -3.09099.99 -3.750


ConfiabilidadDesviación Estandar

h. El conjunto total de las desviaciones estándar (So).

Se recomienda utilizar los valores comprendidos dentro de los intervalos

siguientes:



Tabla 09. Error estándar Combinado.

VARIACION EN LA PREDICCION DELCOMPORTAMIENTO DEL PAVIMENTO RIGIDO FLEXIBLESin errores de transito 0.25 0.35Con errores de transito 0.35 0.45Fuente: Guía para diseño de estructuras de pavimento, AASHTO, 1993

DESVIACION ESTANDAR

i. Determinación de espesores.

En los pavimentos de mezclas asfálticas por medio de la fórmula de diseño se

obtiene el número estructural (SN) y en función del mismo se determinan los

distintos espesores de las capas que conforman el paquete estructural; el diseño

esta basado en la identificación del número estructural del pavimento flexible y la

cantidad de ejes de carga transitando.

El diseño del número estructural también se puede realizar mediante la figura 25.



Fig.25. Diseño para pavimento flexible basada en valores promedio de los

diferentes datos de entrada.



La fórmula general que relaciona el número estructural (SN) con los espesores de

capa es la siguiente:

En Donde:

a1, a2, a3 son los coeficientes estructurales ó de capa, de la superficie de

rodadura, base y subbase respectivamente.

m2, m3 son los coeficientes de drenaje para base y subbase

D1, D2, D3 son los espesores de capa en pulgadas para la superficie de

rodadura, base y subbase.

Esta fórmula tiene muchas soluciones, en función de las diferentes combinaciones

de espesores; no obstante, existen normativas que tienden a dar espesores de

capas que deben ser construidas y protegidas de deformaciones permanentes,

por efecto de las capas superiores de mayor resistencia.



CAPITULO III

ESTUDIO DE TRÁNSITO

Los estudios sobre volúmenes de 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; estos son expresados con respecto al

tiempo expresado mediante:

Donde:

Q = Vehículos que pasan por unidad de tiempo (vehículos/periodo)

N = Número total de vehículos que pasan (vehículos)

T = Periodo determinado (unidades de tiempo)

Los volúmenes de tránsito absolutos o totales, son el número total de vehículos que

pasan durante el lapso de tiempo determinado pudiendo ser:

Tránsito anual (TA), cuando T = 1 año.

Tránsito mensual (TM), cuando T = 1 mes.

Tránsito semanal (TS), cuando T = 1 semana.

Tránsito diario (TD), cuando T = 1 día.

Tránsito horario (TH), cuando T = 1 hora.

Tasa de flujo (q): es el número total de vehículos que pasan durante un periodo inferior a una hora. T < 1 hora.

Los volúmenes de tránsito promedios diarios (TPD), definida como el número total de

vehículos que pasan durante un periodo dado (en días completos) igual o menor a un año

y mayor que un día, dividido entre el número de días del periodo.

De acuerdo al número de días de este periodo, se presentan los siguientes volúmenes de

tránsito promedios diarios, dados en vehículos por días:

Tránsito promedio diario anual (TPDA):

TPDA = TA / 365

Tránsito promedio diario mensual (TPDM):

Diseño Estructural de Pavimentos Flexibles

T

N Q

53


TPDM = TM / 30

Tránsito promedio diario semanal (TPDS):

TPDS = TS / 7

De los indicadores de volúmenes de tránsito descritos, el Tránsito Diario Promedio Anual

(TDPA) es el indicador más importante que se debe conocer para efectuar el proyecto de

diseño de pavimentos.

Para determinar el TDPA de una vialidad en operación, es necesario disponer de un

número total de vehículos que pasan durante todo el año por un punto de referencia

establecido, el que se realiza mediante una operación de conteo en forma directa del

tránsito denominada “aforo vehicular”.

El aforo para determinar el TDPA puede llevarse durante todo el año que sería lo más

recomendable; por lo general en nuestro medio esta información anual es difícil de

obtener por el número de estaciones de aforo necesarias y tiempo que finalmente

representa costos adicionales. En carreteras es posible obtener esta información de las

casetas de cobro (peajes) o a través de contadores automáticos en caso existieran, cuya

información es más consistente y permitirá un mejor análisis debido a que se tendría

información de varios años consecutivos tanto del número y el incremento vehicular dado.

El TDPA es también posible estimar a partir de aforos vehiculares en determinadas

temporadas, ya sea en periodos horarios, diarios, semanales o mensuales y luego

proyectarlo a un año mediante técnicas estadísticas.

Cuando se requiere determinar el TDPA de vías que se habrá de construir, debemos

considerar el transito inducido y el tránsito generado. El tránsito inducido es aquel que en

la actualidad utiliza otras vías alternas, pero que usará el nuevo para llegar o acortar

distancias de destino, es decir, el tránsito que ahora hace un rodeo, pero que al abrirse

utilizará la nueva vía por ser mas directo, darle mayores facilidades para llegar al sitio

deseado o simplemente por ofrecer mayor cobertura en el servicio de transporte urbano.

Cabe señalar que para determinar el tránsito inducido con bastante aproximación, se

realizan estudios de origen y destino en los caminos que operan en la actualidad, donde

se hacen entrevistas tanto a los conductores como a los pasajeros.

3.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO

Los volúmenes de tránsito siempre deben ser considerados como dinámicos, por lo

que solamente son precisos para el periodo de duración de los aforos. Sin embargo,



debido a que sus variaciones son generalmente rítmicas y repetitivas, es importante

tener un conocimiento de sus características, para así programar aforos, relacionar

volúmenes en un tiempo y lugar con volúmenes de otro tiempo y lugar, y prever con la

debida anticipación la actuación de las fuerzas dedicadas al control del tránsito y labor

preventiva, así como las de conservación.

Por lo tanto, es fundamental, en la planeación y operación de la circulación vehicular,

conocer las variaciones periódicas de los volúmenes de tránsito dentro de las horas de

máxima demanda, en las horas del día, en los días de la semana y en los meses del

año.

3.1.1 DISTRIBUCIÓN Y COMPOSICIÓN DEL VOLUMEN DE TRÁNSITO

La distribución de los volúmenes de tránsito por carriles debe ser considerada,

tanto en el proyecto como en la operación de vías. Tratándose de tres o más

carriles de operación en un sentido, el flujo se asemeja a una corriente hidráulica.

Así, al medir los volúmenes de tránsito por carril, en zona urbana, la mayor

velocidad y capacidad, generalmente se logran en el carril del medio; las fricciones

laterales, como paradas de autobuses y taxis y las vueltas izquierdas y derechas

causan un flujo más lento en los carriles extremos, llevando el menor volumen el

carril cercano a la acera.

Igualmente, en los estudios de volúmenes de tránsito muchas veces es útil conocer

la composición y variación de los distintos tipos de vehículos. La composición

vehicular se mide en términos de porcentajes sobre el volumen total. Por ejemplo,

porcentaje de automóviles, de autobuses y de camiones. En los países más

adelantados, con un mayor grado de motorización, los porcentajes de autobuses y

camiones en los volúmenes de tránsito son bajos. En cambio, en países con menor

grado de desarrollo, el porcentaje de estos vehículos grandes y lentos es mayor.

3.1.2 VARIACIÓN DEL VOLUMEN DE TRÁNSITO DIARIA Y HORARIA.

En zonas urbanas, la variación de los volúmenes de tránsito dentro de un día

particular o una hora determinada, para una calle o intersección específica, puede

llegar a ser repetitiva y consistente durante varios días de la semana. Sin embargo,

puede ser bastante diferente de un tipo de calle o de una intersección a otra, para

el mismo periodo además de la variación entre días feriados y festivos, los fines de

semana o en horas de la mañana y tarde.



3.2 VOLÚMENES DE TRÁNSITO FUTURO

El pronóstico del volumen de tránsito futuro, por ejemplo el TPDA del año de proyecto,

en el mejoramiento de una carretera existente o en la construcción de una nueva

carretera, deberá basarse no solamente en los volúmenes normales actuales, sino

también en los incrementos del tránsito que se espera utilicen la nueva carretera.

Los volúmenes de tránsito futuro (TF), para efectos de proyecto se derivan a partir del

tránsito actual (TA) y del incremento del tránsito (IT), esperado al final del periodo de

diseño seleccionado. De acuerdo a esto, se puede plantear la siguiente expresión:

3.2.1 EL TRÁNSITO ACTUAL (TA)

Es el volumen de tránsito que usará la carretera mejorada o la nueva carretera en

el momento de quedar completamente en servicio. En el mejoramiento de una

carretera existente, el tránsito actual se compone del tránsito existente (TE), antes

de la mejora, más el tránsito atraído (TAt).

El tránsito actual (TA), se puede establecer a partir de aforos vehiculares sobre

las vialidades de la zona de estudio, estudios de origen y destino, o utilizando

parámetros socioeconómicos que se identifiquen plenamente con la economía de

la zona. De esta manera, el tránsito actual TA, se expresa como:

Para la estimación del tránsito atraído (TAt), se debe tener un conocimiento

completo de las condiciones locales, de los orígenes y destinos vehiculares y del

grado de atracción de todas las vialidades comprendidas. A su vez, la cantidad de

tránsito atraído depende de la capacidad y de los volúmenes de las carreteras

existentes, así por ejemplo, si están saturadas o congestionadas, la atracción será

mucho más grande.

Los usuarios, componentes del tránsito atraído a una nueva carretera, no cambian

ni su origen, ni su destino, ni su modo de viaje, pero la eligen motivados por una

mejora en los tiempos de recorrido, en la distancia, en las características


ITTATF

TAtTETA

56


geométricas, en la comodidad y en la seguridad. Como no se cambia su modo de

viaje, a este volumen de tránsito también se le denomina tránsito desviado.

3.2.2 INCREMENTO DEL TRÁNSITO (IT)

Es el volumen de tránsito que se espera use la nueva carretera en el año futuro

seleccionado como periodo de diseño. Este incremento se compone del

crecimiento normal del tránsito (CNT), del tránsito generado (TG), y del tránsito

desarrollado (TD).

Por lo tanto, el incremento del tránsito (IT), se expresa así:

a. El crecimiento normal del tránsito (CNT)

Es el incremento del volumen de tránsito debido al aumento normal en el uso de

los vehículos. El deseo de las personas por movilizarse, la flexibilidad ofrecida por

el vehículo y la producción industrial e importación de vehículos usados cada día

(en nuestro caso), hacen que esta componente del tránsito siga aumentando.

b. El tránsito generado (TG).

Consta de aquellos viajes vehiculares, distintos a los del transporte público, que

no se realizarían si no se construye la nueva carretera. El tránsito generado se

compone de tres categorías: el tránsito inducido, o nuevos viajes no realizados

previamente por ningún modo de transporte; el tránsito convertido, o nuevos

viajes que previamente se hacían masivamente en taxi, autobús, tren, avión o

barco, y que por razón de la nueva carretera se harían en vehículos particulares; y

el tránsito trasladado, consistente en viajes previamente hechos a destinos

completamente diferentes, atribuibles a la atracción de la nueva carretera y no al

cambio en el uso del suelo.

c. El tránsito desarrollado (TD).

Es el incremento del volumen de tránsito debido a las mejoras en el suelo

adyacente a la carretera. A diferencia del tránsito generado, el tránsito

desarrollado continúa actuando por muchos años después que la nueva carretera

ha sido puesta al servicio. El incremento del tránsito debido al desarrollo normal


TDTGCNTIT

57


del suelo adyacente forma parte del crecimiento normal del tránsito, por lo tanto,

éste no se considera como una parte del tránsito desarrollado.

3.2.3 TRÁNSITO FUTURO

Finalmente los volúmenes de tránsito futuro (Figura 25) como se vio anteriormente

esta determinado por:

TF = TA + IT

TA = TE + TAt

IT = CNT + TG + TD

Reemplazando cada uno de los componentes del Tránsito Actual e Incremento de

Tránsito se tiene finalmente:

Figura 25. Componentes del volumen de transito futuro.

3.2.4 FACTOR DE PROYECCIÓN (FP)

El factor de proyección de tránsito (FP), hace relación directa del tránsito Futuro

(TF) y el Tránsito Actual (TA).


)()( TDTGCNTTAtTEITTATF

58


El factor de proyección (FP), deberá especificarse para cada año futuro. El valor

utilizado en el pronóstico del tránsito futuro para nuevas vialidades, sobre la base

de un periodo de proyecto de 20 años, está en el intervalo de 1.5 a 2.5. Conocido el

factor de proyección, el tránsito futuro (TF) se calcula mediante la siguiente

expresión:

Este factor de proyección una vez determinados puede aplicarse a otros proyectos

con características similares de estudio.

3.3 ANÁLISIS DE TRÁFICO

En el presente aforo vehicular, fue proporcionado para la realización del presente

Informe Técnico.

3.3.1 AFORO DE VOLUMEN VEHICULAR

Por razones principalmente de costo y tiempo, sumado además la carencia de una

caseta de control cercana o contadores automáticos en la vía de aforo, que

permitan obtener información consistente para realizar un análisis mas profundo y

preciso, no es posible llevar un control del volumen vehicular con periodos de

tiempo anuales o mensuales, que en todo caso es el procedimiento óptimo y mas

confiable para proceder a determinar el Tránsito Promedio diario Anual (TPDA),

por lo que se opto llevar un conteo semanal.

El aforo del volumen vehicular diario, se realizo durante un periodo de tiempo de

15 horas, de manera continuada llevadas entre las 6:00 am. y 21:00 pm, siendo el

criterio para estimar el resto de horas comprendidas entre las 22.00 pm y 6:00 am,

un volumen global, referido a un porcentaje de los totales diarios obtenidos por tipo

de vehículo.


)(TAFPTF

59


El cuadro N° 01. Muestra el registro del aforo vehicular. El conteo se realizo en

ambos sentidos de la vía, el estudio consta de dos carriles.

ESTACIÓN DE AFORO:UBICACIÓN: ______PERIODO: 06 - 19 de Julio de 2006AMBOS SENTIDOS

Nº FECHA DÍA C-2 C-3 B-2 B-3 T2S1 T2S2 AUTOMOVILES TOTAL DIARIO1 06-Jul Domingo 110 83 60 65 25 20 93 4562 07-Jul Lunes 80 64 25 51 23 18 65 3263 08-Jul Martes 100 60 40 50 23 20 79 3724 09-Jul Miércoles 50 60 32 42 18 13 60 2755 10-Jul Jueves 75 60 36 51 22 15 67 3266 11-Jul Viernes 105 60 50 63 28 14 86 4067 12-Jul Sábado 130 96 45 77 30 17 87 4828 13-Jul Domingo 120 90 55 64 33 15 94 4719 14-Jul Lunes 95 50 30 60 28 16 77 35610 15-Jul Martes 96 72 30 45 23 10 66 34211 16-Jul Miércoles 75 60 25 50 25 15 66 31612 17-Jul Jueves 92 70 36 55 20 12 76 36113 18-Jul Viernes 102 90 35 55 20 19 78 39914 19-Jul Sábado 120 85 40 75 29 19 92 460

NOTA: El conteo de vehículos se ralizó en una vía de dos carriles. TOTAL 5348

REGISTRO DE AFORO VEHICULAR

Fuente: Dato proporcionado para la realizacion de este Informe

TPDS = TS/14 = 382 VEHICULOS /DIA



3.4 ÍNDICE MEDIO DIARIO ANUAL (IMDA) (TPDA Tránsito Promedio Diario Anual)

Representa el promedio aritmético de los volúmenes diarios para todos los días del

año, previsible o existente en una sección dada de la vía. Su conocimiento da una idea

cuantitativa de la importancia de la vía en la sección considerada.

La determinación del TPDA se hace a partir del TPDS, utilizando los aforos vehiculares

diarios durante una semana transformándolos mediante la ciencia de la estadística.

3.4.1 Cálculo del TPDS

La determinación del TPDS se calcula utilizando los aforos vehiculares diarios

durante el periodo de una semana. Está dado por:

Donde:

Vol Tránsito Diario Dom a Sáb. = Promedios aforados durante la

semana.

En el caso del presente trabajo se ha realizado el conteo vehicular de dos

semanas, entonces:

El tránsito promedio semanal será de 382 vehículos mixtos/día

3.4.2 Cálculo del TPDA

La determinación del TPDA o Media Poblacional, se estima en base al TPDS o

Media Muestral. Está dado por:

Donde:

A = Máxima diferencia entre el TPDA y el TPDS


ATPDSTPDA

61


El valor de A, sumado o restado del TPDS (Media Muestral), define el intervalo de

confianza dentro del cual se encuentra el TPDA (Media Poblacional), Para un

determinado nivel de confianza, el valor de “A” es el siguiente:

A=KE

Donde:

K = Número de desviaciones estándar correspondiente al nivel de

confiabilidad deseado.

E = Error estándar de la media.

Estadísticamente se ha demostrado que las medias de diferentes muestras,

tomadas de la misma población, se distribuyen normalmente alrededor de la media

poblacional con una desviación estándar equivalente al error estándar.

Por lo tanto:

E = ’

Donde:

’ = Estimador de la desviación estándar poblacional (s)

Estimación de la desviación estándar poblacional (s)

Donde:

S= Desviación estándar de la distribución de los volúmenes de tránsito diario o desviación estándar muestral.

n = Tamaño de la muestra en número de días del aforo

N = Tamaño de la población en número días del año.

La desviación estándar muestra S, se calcula como:

Donde:


)1(

)('

N

nN

n

s

1

)(1

2

n

TPDSTDS

n

ii

62


TDi = Volumen de tránsito del día i. = Xi

Reemplazando sus equivalencias se tiene:

TPDA = TPDS ± A

TPDA = TPDS ± KE

En la distribución normal, para niveles de confiabilidad del 90% y 95% los valores

de la constante K son 1.64 y 1.96 respectivamente.

Por lo tanto asumiremos, el caso mas critico de 416 vehículos mixtos/día.


)'( KTPDSTPDA

63


3.4.3 TASA ANUAL DE CRECIMIENTO DE TRÁNSITO

Un pavimento debe ser diseñado para soportar el tránsito inicial y aquel que pase

durante su vida de servicio. Sin embargo, es necesario reconocer que no es fácil

calcular tales cargas, por cuanto en el tránsito futuro intervienen factores muy

complejos, dado que es muy difícil predecir los cambios en la economía regional

general, en la población y en el uso de la tierra a lo largo de la vía durante el

período de diseño. Pero, el volumen de tránsito futuro de una vía nacional en

servicio, que se encuentre en afirmado, puede ser estimado con razonable

exactitud a partir de datos sobre el tránsito existente y mediante un análisis

estadístico de su evolución histórica. El estimativo en mención requiere del

conocimiento del valor de la tasa anual de crecimiento del tránsito, el cual es

indispensable para efectuar proyecciones, necesarias para los estudios de

pavimento, tanto en la etapa de diseño como de funcionamiento. Para la estimación

de la tasa de crecimiento de los vehículos comerciales se utilizarán los datos de

crecimiento del parque automotor para el departamento de Puno, el factor de

crecimiento se calculara a partir del análisis estadístico descrito en el marco

teórico, utilizando las ecuaciones lineal y exponencial.

TOTAL 1,114,191 1,162,859 1,209,006 1,252,006 1,290,471 1,305,233 1,349,510 1,379,671

AMAZONAS 1,183 1,287 1,590 1,777 2,019 2,768 3,349 3,684 ANCASH 16,272 17,759 18,980 19,884 20,714 20,613 20,849 21,069 APURIMAC 2,173 2,490 2,946 3,407 3,747 3,896 4,143 4,367 AREQUIPA 64,662 68,997 72,885 75,769 78,025 78,033 79,676 80,617 AYACUCHO 2,941 3,367 3,770 4,193 4,558 4,658 4,974 5,177 CAJAMARCA 5,939 6,541 7,368 8,201 9,113 10,311 12,228 13,435 CUZCO 25,096 29,251 32,412 35,867 38,030 38,068 39,222 40,139 HUANCAVELICA 769 829 911 957 1,047 1,092 1,208 1,314 HUANUCO 10,397 10,519 10,818 11,192 11,624 11,847 12,269 12,526 ICA 20,463 21,052 21,837 22,751 23,649 23,538 24,008 24,256 JUNIN 39,583 41,164 42,553 43,973 45,545 45,713 46,746 47,256 LA LIBERTAD 37,412 38,856 40,119 41,454 42,837 43,339 45,325 46,465 LAMBAYEQUE 33,750 35,126 36,245 37,157 38,315 39,314 41,528 42,649 LIMA Y CALLAO 750,610 776,820 802,748 825,198 846,227 854,549 880,699 898,106 LORETO 5,352 5,442 5,510 5,542 5,610 5,825 6,170 6,489 MADRE DE DIOS 603 604 630 654 695 771 881 975 MOQUEGUA 7,740 8,030 8,258 8,508 8,773 8,979 9,428 9,716 PASCO 3,281 3,562 3,822 4,134 4,387 4,551 4,789 4,952 PIURA 28,728 29,325 29,844 30,272 31,157 31,394 32,738 34,181 PUNO 20,504 22,074 23,340 25,983 26,645 27,046 28,314 29,194 SAN MARTIN 4,329 4,603 4,837 5,091 5,373 5,992 6,784 7,626 TACNA 24,297 26,563 28,557 30,554 32,366 32,256 32,466 32,513 TUMBES 2,709 2,782 2,842 2,874 2,954 3,243 3,801 4,242 UCAYALI 5,398 5,816 6,184 6,614 7,061 7,437 7,915 8,723

Fuente: Instituto Nacional de Estadística e Informática INEI

PARQUE AUTOMOTOR, SEGUN DEPARTAMENTO O REGION: 1999 - 2006

DEPARTAMENTO 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006



o Modelo Lineal:

Donde las constantes a y b se determinan mediante las siguientes

ecuaciones:

Para el cálculo del número de vehículos se hará uso del siguiente cuadro:

Año X X2 Y Y2 XY

1999 0 0 20504 420414016 02000 1 1 22074 487261476 220742001 2 4 23340 544755600 466802002 3 9 25983 675116289 779492003 4 16 26645 709956025 1065802004 5 25 27046 731486116 1352302005 6 36 28314 801682596 1698842006 7 49 29194 852289636 204358

Sumatoria 28 140 203100 5222961754 762755

a = 21062

b = -45.40

Entonces: Y = 21062 - 45.4 X

Modelo exponencial: Expresado mediante la siguiente formula de interés:

Aplicando Logaritmo a la expresión anterior se tiene:

Log Y = Log a + (Log b)x

Esta ecuación se puede escribir como:

Y’ = a’ + b’x

Donde:

Y’ = Log Y

a’ = Log a

b’ = Log b



En el siguiente cuadro se expresas los cálculos correspondientes.

Año X X2 Y Y' (Log Y) Y' 2 X Y'

1999 0 0 20504 4.312 18.592 0.0002000 1 1 22074 4.344 18.869 4.3442001 2 4 23340 4.368 19.080 8.7362002 3 9 25983 4.415 19.489 13.2442003 4 16 26645 4.426 19.586 17.7022004 5 25 27046 4.432 19.644 22.1612005 6 36 28314 4.452 19.820 26.7122006 7 49 29194 4.465 19.939 31.257

Sumatoria 28 140 203100 35.214 155.020 124.156

a´ = 4.325 Como a’ = Log a = 4.325, entonces, a = 21181.27

b¨ = 0.021 Como b’ = Log b = 0.021, entonces, b = 1.0511

X

Y = 21181 * 1.051

Comparando datos de las ecuaciones lineal y exponencial tenemos que: para la

ecuación lineal se tiene un factor de crecimiento de 416 vehículos por año y para la

ecuación exponencial un factor de crecimiento de 5.11% anual para todo el

departamento de Puno.

Los valores obtenidos para el factor de crecimiento de datos estadísticos nos dan

una referencia del crecimiento del Parque Automotor para todo el departamento de

Puno, no obstante no reflejan el crecimiento del parque automotor de la vía en

estudio; pero, debido a que no se cuenta con estaciones de aforo vehicular

permanentes ni datos históricos del tránsito de la vía en estudio se asumirá el valor

obtenido con el modelo exponencial.

Para el cálculo del Tránsito Equivalente a un eje simple de 18 000 lb. (8.2 Tn.), se

utilizará un factor de crecimiento de 5.11% anual.

3.4.4 DETERMINACIÓN DEL FACTOR CAMIÓN POR LOS MÉTODOS MOPT-

INGEROUTE Y LA UNIVERSIDAD DEL CAUCA.

Estas entidades han desarrollado una tabla con los factores de equivalencia de

carga promedio y que según Alfonso Montejo Fonseca, es frecuentemente utilizado

en Colombia. La tabla es la siguiente:



C- 2 pequeño 1.141.4 (prom.)

C - 2 grande 3.44C - 3 2.40 3.76

C2 - S1 3.37C4 3.60 6.73

C3 - S1 2.22C2 - S2 3.42C3 - S2 4.67 4.40C3 - S3 5.00 4.72

Bus P - 600 0.400.2 (prom.)

Bus P - 900 1.00Buseta 0.05

Refe.: Texto de Montejo Fonseca

Factores de Equivalencia Tipo de Vehiculo

Mopt - Ingeroute Universidad del Cauca

A partir de estos valores se puede estimar el factor camión, para cualquier tramo de

la red nacional de carreteras,

3.4.5 DETERMINACIÓN FACTOR CAMIÓN

Se determina el factor camion del tramo en estudio cuyo TPDS es 416 vehiculos de

los cuales el 20% son automóviles y de los cuales el 80% son camione, el tránsito

de camiones esta distribuido así: C-2 = 25, C-3 = 19%, T2S1 = 7%, T2S2 = 4%, B-2

= 10%, B-3 = 15%. Utilizando los factores de equivalencia propuesto el MOPT-

Ingeroute.

Entonces el factor camión de buses y camiones, para el diseño será:



CAPITULO IV

DATOS DE SUBRASANTE, SUBBASE Y BASE.

El diseño de base y sub-base, están directamente relacionado con las propiedades

físicas los suelos han de presentar, las mismas que deben estar acorde con los

requerimientos técnicos que las normas exigen, pues constituyen un elemento estructural

importante dentro del comportamiento de un pavimento en general. Muchos de esos

pavimentos deben su adecuado comportamiento y su larga vida, al espesor de capa pero

sobre todo a la calidad que sus materiales presentan tanto individual como

colectivamente, principalmente la base, que constituye el corazón de un pavimento

flexible.

Para que las capas tanto de Base y Sub-base cumplan a cabalidad con el propósito para

el cual fueran incluidas dentro de la estructura de un pavimento, además de satisfacer los

requerimientos físico-mecánicas de los materiales en laboratorio, dependerán

fundamentalmente de su estricto cumplimiento de las normas y procedimientos de su

construcción, pero por sobre todo respetando el espesor de capa determinado en el

diseño del pavimento.

4.1 DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE CBR DEL SUELO

La finalidad de este ensayo, es determinar la capacidad de soporte (CBR) de suelos y

agregados compactados en laboratorio, con una humedad óptima y niveles de

compactación variables. Es un método desarrollado por la división de carreteras del

Estado de California (EE.UU.) y sirve para evaluar la calidad relativa del suelo para

subrasante, subbase y base de pavimentos.

El ensayo mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y

densidad controladas, permitiendo obtener un (%) de la relación de soporte. El (%)

CBR, está definido como la fuerza requerida para que un pistón normalizado penetre a

una profundidad determinada, expresada en porcentaje de fuerza necesaria para que

el pistón penetre a esa misma profundidad y con igual velocidad, en una probeta

normalizada constituida por una muestra patrón de material chancado.

La expresión que define al CBR, es la siguiente:



CBR = (carga unitaria del ensayo / carga unitaria patrón) * 100 ( % )

De la ecuación se puede ver que el número CBR, es un porcentaje de la carga unitaria

patrón. En la práctica el símbolo de (%) se quita y la relación se presenta simplemente

por el número entero.

Antes de determinar la resistencia a la penetración, generalmente las probetas se

saturan durante 96 horas para simular las condiciones de trabajo más desfavorables y

para determinar su posible expansión.

En general se confeccionan 3 probetas como mínimo, las que poseen distintas

energías de compactación (lo usual es con 56, 25 y 10 golpes). El suelo al cual se

aplica el ensayo, debe contener una pequeña cantidad de material que pase por el

tamiz de 50 mm. y quede retenido en el tamiz de 20 mm. Se recomienda que esta

fracción no exceda del 20%.

Para el presente trabajo se contó con los siguientes datos:

Cuadro Nº 02. Diferentes datos de CBR, hallados, para la subrasante, subbase y

base.

SUB RASANTE SUB BASE BASE

11.638 19.767 19.76711.836 19.778 19.77812.507 20.702 20.70213.222 20.845 20.84514.641 21.978 21.978

Fuente: Datos proporcionados para el Informe tecnico

CBR %

Los datos de CBR fueron proporcionados de diversos ensayos para la realización del

presente Informe Técnico, ya sean para la subrasante, base o súbase, de los cuales

tendremos que elegir el CBR más próximo al valor real.

4.2 DETERMINACIÓN DEL CBR PARA LA SUBRASANTE.

Existe un método propuesto por el Instituto del Asfalto para determinar el valor de

CBR, de la sub rasante, el cual esta en función al percentil y al número de ejes simples

de 18,000 lbs en el carril de diseño (ESAL).



El procedimiento consiste en tomar el % de valores iguales o mayores que 60, 75 o el

87.5% de los valores individuales de acuerdo con el tránsito que se espera circule

sobre el pavimento.

Tabla 10. Percentil a seleccionar para hallar CBR.

NUMERO DE EJES DE PERCENTIL A 18000 Lb EN EL SELECCIONAR PARA

CARRIL DE DISEÑO HALLAR CBR

<104 60

104 – 106 75

>106 87.5

PRINCIPIO DE COMPARACION (ESAL)

Fuente: Instituto del Asfalto (MS-1) 1991

Debido a que nuestro ESAL= 2.1 x 106 ejes equivalentes de 18000 lbs, entonces el

valor de percentil a seleccionar será para valores comprendidos entre 104 @ 106, que

en este caso será de 87.5

Tomando todas estas consideraciones, se realizo la obtención del CBR para la

subrasante, de la siguiente manera:

Cuadro 03. Datos para la obtención CBR de la subrasante.

14.641 11.638 5 10013.222 11.836 4 8012.507 12.507 3 6011.836 13.222 2 4011.638 14.641 1 20

% de valores mayores o

iguales

CBR PARA LA SUBRASANTE

CBR en orden

ascendente

N° de valores mayores o

iguales

CBR % SUBRASANTE



CBR DE DISEÑO-SUBRASANTE

0

20

40

60

80

100

120

10 11 12 13 14 15

CBR

% D

e va

lore

s m

ayo

res

Figura 26. Curva de aproximación de mejor ajuste a los datos.

Como la recta de la regresión es:

como N = 2.1x10E6 Y = 87.5 X = CBR = 11.66%

Y = 378.45 - 24.94 X

Por lo tanto el CBR de diseño de la subrasante será: 11.66 %

4.3 DETERMINACIÓN DEL CBR PARA LA SUBBASE.

Para la obtención del CBR mas adecuado, de una serie de datos (figura 27), se

procedió de la siguiente manera.

Cuadro 04. Datos para la obtención CBR de la subbase.

26.94 25.06 5 10026.02 25.09 4 8025.12 25.12 3 6025.09 26.02 2 4025.06 26.94 1 20

CBR PARA LA SUBBASE

CBR en orden

ascendente

N° de valores mayores o

iguales


iguales

CBR % SUBBASE




La recta de regresión es:

como N = 2.1x10E6 Y = 87.5 X = CBR = 19.77%

Y = 737.97 - 32.88 X

4.4 DETERMINACIÓN DEL CBR PARA LA BASE.

Para la obtención del CBR mas adecuado, de una serie de datos (figura 28), del molde

D, al igual que en los casos anteriores se procedió de la siguiente manera.

Cuadro 05. Datos para la obtención CBR de la base.

48.939 48.367 5 10048.510 48.378 4 8048.389 48.389 3 6048.378 48.510 2 4048.367 48.939 1 20

CBR % BASE

CBR PARA LA BASE

Numero de valores

mayores o iguales


iguales

CBR en orden

ascendente



0

20

40

60

80

100

120

48.2 48.4 48.6 48.8 49

CBR

CBR DE DISEÑO - BASE


La recta de regresión es:

como N = 2.1x10E6 Y = 87.5 X=CBR= 48.26%

Y = 5398.886 - 107.98 X

4.5 DETERMINACIÓN DEL MODULO RESILIENTE A PARTIR DE DATOS DE CBR.

La propiedad definitiva de material usada para caracterizar al suelo de fundación en el

diseño de pavimentos flexibles, es el Modulo Resilente (Mr), (AASHTO T 724)

Es una medida de la propiedad elástica del suelo, tomando en cuenta ciertas

características flexibles y que remplaza al valor de soporte del suelo utilizando en

condiciones anteriores de este método considerando lo siguiente:

o Indica una propiedad básica del material que puede ser usada en un

análisis mecánico de sistemas multicapas para predecir rugosidades,

agrietamiento, ahuellamiento y escalonamiento.

o Se ha reconocido internacionalmente como un método para la

caracterización de materiales, en el diseño y evaluación de pavimentos.

o AASHTO propone las siguientes relaciones las que se encuentran en

función de CBR, f(CBR):

MR= 17.3 CBR0.64 CBR entre 1 – 12 (Mpa)

MR= 22.1 CBR0.55 CBR entre 12 – 80 (Mpa)



o AASHTO propone también las siguientes relaciones las que se

encuentran en función de CBR:

Mr=1500 CBR para suelos finos CBR≤10

Mr= 4326 ln(CBR)+241 para suelos granulares

La unidad utilizada en las relaciones es el psi

4.6 ESPECIFICACIONES GRANULOMÉTRICAS.

Las Especificaciones Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, son

concordantes con las recomendaciones y exigencias establecidas por Instituciones

Técnicas reconocidas Internacionalmente como AASHTO, ASTM, Instituto del Asfalto,

entre otros, ACI, etc. así también con las condiciones propias y particulares de nuestro

país.

4.6.1 Disposiciones Generales para la Ejecución de Subbases Granulares,

Bases Granulares

a. Materiales de Subbase Granular

Los agregados para la construcción de la subbase granular deberán satisfacer los

requisitos indicados y ajustarse a una de las franjas granulométricas indicadas en

la siguiente tabla:

Tabla 11 Requerimientos Granulométricos para Sub-Base Granular

Gradación A (1) Gradación B Gradación C Gradación D

50 mm 2” 100 100 --- --- 25 mm 1” --- 75 – 95 100 100 9.5 mm (3/8” 30 – 65 40 – 75 50 – 85 60 – 100 4.75 mm Nº 4 25 – 55 30 – 60 35 – 65 50 – 85 2.0 mm Nº 10 15 – 40 20 – 45 25 – 50 40 – 70 4.25 um Nº 40 8 – 20 15 – 30 15 – 30 25 – 45 75 um Nº 200 2 – 8 5 – 15 5 – 15 8 – 15

Fuente: ASTM D 1241

Porcentaje que Pasa en PesoTamiz

La curva de gradación "A" deberá emplearse en zonas cuya altitud sea igual o

superior a 3000 m.s.n.m. Además, el material también deberá cumplir con los

siguientes requisitos de calidad:



Tabla 12 Sub-Base Granular

Requerimientos de Ensayos Especiales

< 3000 msnm > 3000 msnm

Abrasión MTC E 207 C 131 T 96 50 % máx 50 % máx CBR (1) MTC E 132 D 1883 T 193 40 % mín 40 % mín

Límite Líquido MTC E 110 D 4318 T 89 25% máx 25% máx Índice de Plasticidad MTC E 111 D 4318 T 89 6% máx 4% máx Equivalente de Arena MTC E 114 D 2419 T 176 25% mín 35% mín

Sales Solubles MTC E 219 1% máx. 1% máx. Partículas Chatas y

Alargadas (2)MTC E 211 D 4791 20% máx 20% máx

Fuente: ASTM D 1241

Norma ASTM Norma AASHTORequerimiento

Ensayo Norma MTC



Fuente: ASTM D 1241

Compactación

Se compactarán por los medios adecuados para el caso, en forma tal que las

densidades que se alcancen no sean inferiores a las obtenidas en el resto de la

capa.

La compactación se efectuará longitudinalmente, comenzando por los bordes

exteriores y avanzando hacia el centro, traslapando en cada recorrido un ancho

no menor de un tercio (1/3) del ancho del rodillo compactador. En las zonas

peraltadas, la compactación se hará del borde inferior al superior.

Calidad de los agregados

De cada procedencia de los agregados pétreos y para cualquier volumen

previsto se tomarán cuatro (4) muestras y de cada fracción se determinarán los

ensayos.

Calidad del producto terminado

Que la cota de cualquier punto de la subbase conformada y compactada, no

varíe en más de diez milímetros (10 mm) de la cota proyectada.

La uniformidad de la superficie de la obra ejecutada será comprobada con una

regla de tres metros (3 m) de longitud, colocada tanto paralela como

normalmente al eje de la vía, no admitiéndose variaciones superiores a diez

milímetros (10 mm), para cualquier punto que no esté afectado por un cambio

de pendiente.

b. Materiales de Base Granular

Los agregados para la construcción de la base granular deberán satisfacer los

requisitos indicados. Además, deberán ajustarse a las siguientes especificaciones

de calidad:

Granulometría

La composición final de la mezcla de agregados presentará una granulometría

continua y bien graduada (sin inflexiones notables) y según uno de los requisitos

granulométricos que se indican en la Tabla 305-1.

Para las zonas con altitud de 3000 msnm se deberá seleccionar la gradación "A".



Tabla 13 Requerimientos Granulométricos para Base Granular

Gradación A Gradación B Gradación C Gradación D

50 mm (2”) 100 100 --- ---25 mm (1”) --- 75 – 95 100 100

9.5 mm (3/8”) 30 – 65 40 – 75 50 – 85 60 – 100 4.75 mm (Nº 4) 25 – 55 30 – 60 35 – 65 50 – 852.0 mm (Nº 10) 15 – 40 20 – 45 25 – 50 40 – 704.25 um (Nº 40) 8 – 20 15 – 30 15 – 30 25 – 4575 um (Nº 200) 2 – 8 5 – 15 May-15 8 – 15

Fuente: ASTM D 1241

Porcentaje que Pasa en PesoTamiz

El material de Base Granular deberá cumplir además con las siguientes

características físico-mecánicas y químicas que a continuación se indican:

Tráfico Ligero y Medio Mín 80%

Tráfico Pesado Mín 100%Valor Relativo de Soporte, CBR (1)

(1) La curva de gradación "A" deberá emplearse en zonas cuya altitud sea igual o

superior a 3000 m.s.n.m.

Agregado Grueso

Materiales retenidos en la Malla N° 4, los que consistirán de partículas pétreas

durables y trituradas capaces de soportar los efectos de manipuleo, extendido y

compactación sin producción de finos contaminantes.

Deberán cumplir las siguientes características:

Tabla 14 Requerimientos Agregado Grueso

< Menor de 3000 msnm

> 3000 msnm

Partículas con una cara fracturada

MTC E 210 D 5821 80% min. 80% min.

Partículas con dos caras fracturadas

MTC E 210 D 5821 40% min. 50% min.

Abrasión Los Angeles MTC E 207 C 131 T 96 40% máx 40% maxPartículas Chatas y Alargadas

(1)MTC E 221 D 4791 15% máx. 15% máx.

Sales Solubles Totales MTC E 219 D 1888 0.5% máx. 0.5% máx.

Pérdida con Sulfato de Sodio MTC E 209 C 88 T 104 -.- 12% máx.

Pérdida con Sulfato de Magnesio

MTC E 209 C 88 T 104 -.- 18% máx.

Ensayo Norma MTC Norma ASTM Norma AASHTO

RequerimientosAltitud



Agregado Fino

Materiales pasantes la malla Nº 4 que podrán provenir de fuentes naturales o de

procesos de trituración o combinación de ambos.

Tabla 15 Requerimientos Agregado Grueso

< 3 000 m.s.n.m.> 3 000 m.s.n.m

Indice Plástico MTC E 111 4% máx 2% máxEquivalente de arena MTC E 114 35% mín 45% mínSales solubles totales MTC E 219 0,55% máx 0,5% máxIndice de durabilidad MTC E 214 35% mín 35% mín

Ensayo NormaRequerimientos

4.6.2 Requerimientos de Construcción

a. Explotación de materiales y elaboración de agregados

Para las Vías de Primer Orden los materiales de base serán elaborados en

planta, utilizando para ello dosificadores de suelo. Para este tipo de vías no se

permitirá la combinación en patio ni en vía mediante cargadores u otros equipos

similares.

La mezcla de agregados deberá salir de la planta con la humedad requerida de

compactación, teniendo en cuenta las pérdidas que puede sufrir en el transporte

y colocación.

b. Extensión y mezcla del material

Para vías distintas a las de Primer Orden, el material se dispondrá en un cordón

de sección uniforme, donde será verificada su homogeneidad. Si la base se va a

construir mediante combinación de varios materiales, éstos se mezclarán

formando cordones separados para cada material en la vía, que luego se

combinarán para lograr su homogeneidad.

En caso de que sea necesario humedecer o airear el material para lograr la

humedad de compactación, se empleará el equipo adecuado y aprobado, de

manera que no perjudique a la capa subyacente y deje una humedad uniforme

en el material. Este, después de mezclado, se extenderá en una capa de

espesor uniforme que permita obtener el espesor y grado de compactación

exigidos, de acuerdo con los resultados obtenidos en el tramo de prueba.



c. Calidad del producto terminado

La capa terminada deberá presentar una superficie uniforme y ajustarse a las

rasantes y pendientes establecidas, no varíe en más de 10 mm de la proyectada.

Compactación

Las determinaciones de la densidad de la base granular se efectuarán cada

doscientos cincuenta metros cuadrados (250 m²) y los tramos por aprobar se

definirán sobre la base de un mínimo de seis ( 6 ) medidas de densidad,

exigiéndose que los valores individuales (Di) sean iguales o mayores al cien

por cientos ( 100% ) de la densidad máxima obtenida en el ensayo Próctor

(De)

Di > De

La humedad de trabajo no debe variar en ± 1.5 % respecto del Optimo

Contenido de Humedad obtenido con el Próctor modificado.

Espesor

Sobre la base de los tramos escogidos para el control de la compactación, se

determinará el espesor medio de la capa compactada (em), el cual no podrá

ser inferior al de diseño (ed) más o menos 10 milímetros ±10 mm).

em > ed ± 10 mm

Además el valor obtenido en cada determinación individual (ei) deberá ser,

como mínimo, igual al noventa y cinco por ciento (95%) del espesor de

diseño, so pena del rechazo del tramo controlado.

ei > 0.95 ed

Lisura

La uniformidad de la superficie de la obra ejecutada, se comprobará con una

regla de tres metros (3 m) de longitud, colocada tanto paralela como

normalmente al eje de la vía, no admitiéndose variaciones superiores a diez

milímetros (10 mm) para cualquier punto.



Tabla 16 Ensayos y Frecuencias

Material o Producto Propiedades y CaracterísticasMétodo de

EnsayoNorma ASTM

Norma AASHTO

FrecuenciaLugar de Muestreo

Granulometría MTC E 204 D 422 T 88 7500 m³ CanteraLímite Líquido MTC E 110 D 4318 T 89 750 m³ Cantera

Indice de Plasticidad MTC E 111 D 4318 T 89 750 m³ CanteraDesgaste Los Angeles MTC E 207 C 131 T 96 2000 m³ CanteraEquivalente de Arena MTC E 114 D 2419 T 176 2000 m³ Cantera

Sales Solubles MTC E 219 D 1888 2000 m³ CanteraCBR MTC E 132 D 1883 T 193 2000 m³ Cantera

Partículas Fracturadas MTC E 210 D 5821 2000 m³ CanteraPartículas Chatas y Alargadas MTC E 221 D 4791 2000 m³ CanteraPérdida en Sulfato de Sodio /

MagnesioMTC E 209 C 88 T 104 2000 m³ Cantera

Densidad – Humedad MTC E 115 D 1557 T 180 750 m³ PistaMTC E 117 D 1556 T 191MTC E 124 D 2922 T 238

Compactación 250 m² Pista

Base Granular



CAPITULO V

DISEÑO DE ESPESORES

5.1 MÉTODO DEL INSTITUTO DE ASFALTO

5.1.1 Determinación del valor del transito, ESAL

Partiendo del valor del Índice Medio Diario Anual, calculado en 416 vehículos / día,

se calcula el porcentaje del tráfico total de vehículos en el carril de diseño.

En vista que el Estudio contempla el empleo de dos carriles de 3.60 m cada uno

(7.20 m de ancho de rodadura), escogemos la tabla 01 el porcentaje total para 2

carriles, el cual corresponde a un valor del 50%, luego el número de vehículos en el

carril de diseño será de:

50 % X 416 = 208 vehículos / día

Tabla 01. Porcentaje del tránsito total de camiones en el carril de diseño.

NUMERO DE CARRILES PORCENTAJE DE CAMIONES ENDOS DIRECCIONE EL CARRIL DE DISEÑO

2 504 45 (35 - 48)

6 ó mäs 40 (25 - 48)Fuente: Instituto del Asfalto (MS-1) 1991

a. Cálculo del número promedio de cada tipo de vehiculo esperado en el

carril de diseño:

Calcularemos el número total de vehículos en el carril de diseño para un 79.69

%, el cual corresponde al porcentaje de vehiculas pesados indicado en el IMDA

para el año 2006, luego el número total de vehículos será:

Numero de Vehículos = 79.69 % x 208 = 165.756 vehiculo / día

Lo que significa que durante el primer año de servicio se tendrá:

Total de Vehículos = 165.75 x 365 = 60,501 vehículos

El número promedio para cada vehículo considerado se ilustra en el

Cuadro Nº 06.



b. Cálculo del Factor Camión para cada tipo de vehiculo considerado en el

I.M.D.A.

Para el cálculo del Factor Camión consideraremos las cargas indicadas en el

“Reglamento Nacional de vehículos”, decreto supremo Nº 058-2003-MTC. Por

consideraciones de ser un ejemplo práctico se tomará para cada vehiculo una

unidad representativa de la gama indicada (ver diagrama) en el capitulo VIII:

“Tablas de Dimensiones y Carga” del referido reglamento, las cuales se muestran

en el cuadro Nº 07 presentado a continuación:

CARGAS PARA CADA UNIDAD DE VEHICULO SEGÚN REGLAMENTO DE PESO Y DIMENSIÓN VEHICULAR PARA LA CIRCULACIÓN EN LA RED VIAL NACIONAL

(DECRETO SUPREMO Nº 013-98-MTC, RESOLUCIÓN MINISTERIAL Nº 375-98 MTC/15.02)

TIPO LONGITUD PESOSIMBOLOS DE TOTAL EJE BRUTO

VEHICULO (mts) DELANTERO 1º EJE 2º EJE 3º EJE MAXIMOAUTOMOVILES

C-2 VOLQUETE 12.3 7 11 18C-3 CAMIÓN 13.2 7 18 25B-2 AUTOBUS 13.2 7 11 18B-3 AUTOBUS 14 7 16 23

T2S1 20.5 7 11 11 29T2S2 20.5 7 11 18 36

CUADRO Nº 07

CARGA POR EJE (TON)CARGA POR EJE POSTERIOR


Dado que las cargas mostradas se encuentran en toneladas es necesario

convertirlas a libras-fuerza, usando la siguiente relación:

1 Libra-fuerza = 0.4536 Kilogramo-fuerza = 4.45 Newton

Luego: 1 Ton = 2,204.6 Libra-fuerza

Asimismo los ejes indicados en el Cuadro Nº 7 serán necesarios convertirlos a

ejes Simples, ejes Tándem y ejes Trídem respectivamente, para hallar el

correspondiente factor de equivalencia de carga, empleando la Tabla IV-4 del

Manual (Guía AASHTO para el diseño de estructuras de pavimento), por

consiguiente el Factor Camión para cada vehículo considerado; esto se resume

en el Cuadro Nº 8 que se muestra a continuación:



TABLA IV - 4. FACTORES DE EQUIVALENCIA DE CARGA

TN Ib Ejes Simples Ejes Taudem Ejes Tridem

0.5 1000 0.00002

0.9 2000 0.00018

1.8 4000 0.00209 0.0003

2.7 6000 0.01043 0.0010 0.0003

3.6 8000 0.03430 0.0030 0.0010

4.5 10000 0.08770 0.0070 0.0020

5.4 12000 0.18900 0.0140 0.0030

6.4 14000 0.36000 0.0270 0.0060

7.3 16000 0.62300 0.0470 0.0110

8.2 18000 1.00000 0.0770 0.0170

9.1 20000 1.51000 0.1210 0.0270

10.0 22000 2.18000 0.1800 0.0400

10.9 24000 3.03000 0.2600 0.0570

11.8 26000 4.09000 0.3640 0.0800

12.7 28000 5.39000 0.4950 0.1090

13.6 30000 6.97000 0.6580 0.1450

14.5 32000 8.88000 0.8570 0.1910

15.4 34000 11.18000 1.0950 0.2460

16.3 36000 13.93000 1.3800 0.3130

17.2 38000 17.20000 1.7000 0.3930

18.1 40000 21.08000 2.0800 0.4870

19.1 42000 25.64000 2.5100 0.5970

20.0 44000 31.00000 3.0000 0.7230

20.9 46000 37.24000 3.5500 0.8680

21.8 48000 44.50000 4.1700 1.0330

22.7 50000 52.88000 4.8600 1.2200

23.6 52000 5.6300 1.4300

24.5 54000 6.4700 1.6600

25.4 56000 7.4100 1.9100

26.3 58000 8.4500 2.2000

27.2 60000 9.5900 2.5100

28.1 62000 10.8400 2.8500

29.0 64000 12.2200 3.2200

29.9 66000 13.7300 3.6200

30.8 68000 15.3800 4.0500

31.8 70000 17.1900 4.5200

32.7 72000 19.1600 5.0300

33.6 74000 21.3200 5.5700

34.5 76000 23.6600 6.1500

35.4 78000 26.2200 6.7800

36.3 80000 29.0000 7.4500

37.2 82000 32.0000 8.2000

38.1 84000 . 35.3000 8.9000

39.0 86000 38.8000 9.8000

39.9 88000 42.6000 1.6000

40.8 90000 46.8000 11.6000

Carga Bruta por Eje Factores de Equivalencia de Carga

Refer: Del Apéndice D de la Guia AASHTO para el Diseño de Estructuras de Pavimentos

Amerícan Association of State Highway and Transportatíon Officials, Washington, D.C. 1986



TIPO FACTOR PESOSIMBOLOS DE CAMION CARGA POR EJE DELANTERO BRUTO

VEHICULO (FC) EJES SIMPLES EJE SIMPLE EJE TANDEM EJE TRIDEM MAXIMO

AUTOMOVILES 0.00315432.2 24250.6 39682.8

C-2 VOLQUETE 3.711 0.548 3.16315432.2 39682.8 55115

C-3 CAMIÓN 2.568 0.548 2.0215432.2 24250.6 39682.8

B-2 AUTOBUS 3.711 0.548 3.16315432.2 35273.6 50705.8

B-3 AUTOBUS 1.828 0.548 1.2815432.2 24250.6 24250.6 63933.4

T2S1 6.874 0.548 3.163 3.16315432.2 24250.6 39682.8 79365.6

T2S2 5.731 0.548 3.163 2.02Fuente: Instituto del Asfalto (MS-1) 1991

CUADRO Nº 08

CALCULO DEL FACTOR CAMIÓN PARA CADA UNIDAD DE VEHICULO CONSIDERADO SEGÚN CUADRO Nº 01

CARGA POR EJE (Lbs)CARGA POR EJE POSTERIOR

c. Determinación del Factor de Crecimiento

Para el cálculo del factor de crecimiento consideraremos un factor promedio para

todos los vehículos, asumiendo una tasa de crecimiento anual del 5.11% que es el

crecimiento normal aproximado. Para esta tasa de crecimiento y para un periodo

de diseño de 10 años. (Dato proporcionado):

FACTOR DE CRECIMIENTO = 12.64

d. CÁLCULO DEL EAL DE DISEÑO

Con los porcentajes indicados en el I.M.D.A., hallaremos el número de unidades

para cada tipo de vehículo considerado, esperando en el primer año de servicio,

en base al total de 60,501 unidades, calculado en el paso a, para luego ser

multiplicados por el Factor Camión correspondiente para cada vehículo, calculado

en el cuadro Nº 8, y por el factor de crecimiento hallado en el paso c, la sumatoria

de cada valor encontrado por vehículo nos dará el EAL de diseño, el cual se

presenta en el cuadro Nº 6.



TIPO NUMERO DE FACTOR FACTOR EALSIMBOLOS DE VEHICULOS % CAMION DE DE

VEHICULO (POR AÑO) (FC) CREC. (10 años) DISEÑOAUTOMOVILES 85 365 12354 20 0.003 12.64 468.4460645

C-2 VOLQUETE 105 365 15204 25 3.711 12.64 713191.116C-3 CAMIÓN 77 365 11245 19 2.568 12.64 365003.5643B-2 AUTOBUS 42 365 6177 10 3.711 12.64 289733.8909B-3 AUTOBUS 62 365 9028 15 1.828 12.64 208590.6245

T2S1 27 365 3959 7 6.874 12.64 344027.5905T2S2 17 365 2534 4 5.731 12.64 183566.7963

416 60501 100 EAL de Diseño TOTAL 2104582.029100 0.08901416 0.7969 365 19.5

2,104,582.03 EAL de diseño =


CUADRO Nº 06. CALCULO DEL EAL DE DISEÑO

NUMERODE

VEHICULOS

5.1.2 SELECCIÓN DEL MODULO DE RESILENCIA DE DISEÑO DE LA

SUBRASANTE

a. CÁLCULO DEL PERCENTIL DE DISEÑO

En vista que nuestro EAL de diseño es de orden de 2.1 x10^6 le corresponde un

valor de 87.5 %, obtenido en la siguiente tabla del Manual.

NUMERO DE EJES DE PERCENTIL A 18000 Lb EN EL SELECCIONAR PARA

CARRIL DE DISEÑO HALLAR CBR

<104 60

104 – 106 75

>106 87.5

PRINCIPIO DE COMPARACION (ESAL)


b. DETERMINACION DEL MODULO DE RESILENCIA DE LA SUBRASANTE

El estudio ha ensayado cinco muestras de subrasante siendo los resultados de

C.B.R, en el siguiente cuadro:

CBR% P.S.I. (Mpa)

13.31 19965 137.09312.02 18030 123.80611.37 17055 117.11110.76 16140 110.82810.58 15870 108.974

CUADRO Nº 09

MODULO DE RESILENCIA

Los módulos de resilencia para cada ensayo C.B.R., han sido estimados a partir

del valor del C.B.R., con las relaciones:



Mr (Mpa) = 10.3 X CBR

Mr ( psi ) = 1,500 X CBR

c. CÁLCULO DELMÓDULO DE RESILENCIA DE DISEÑO DE LA

SUBRASANTE

Para tal efecto se dispondrá los valores de Mr, en secuencia numérica

descendente; luego para cada valor diferente del Mr, empezando con el menor

valor, se obtiene el número de valores que son iguales o mayores que el valor

analizado, luego se calcula el porcentaje de cada uno de los valores con respecto

al total. Lo anterior se resume en el siguiente cuadro:

Mr Nº DE VALORES MAYORES PORCENTAJE DE VALORES(PSI) O IGUALES A Mri MAYORES O IGUALES (%)

19,965.00 1 20.0018,030.00 2 40.0017,055.00 3 60.0016,140.00 4 80.0015,870.00 5 100.00

CUADRO Nº 10


Luego se grafica los valores de Mr y % obtenidos, resultando el grafico Nº 01,

presentado a continuación:

Entrando al Grafico Nº 01 con el percentil de diseño 87.5 %, hallado en el paso a,

se encuentra el valor del Módulo Resiliencia de diseño de la subrasante:

Mr = 16150 Psi = 110.89 Mpa



105.00 %102.50 %100.00 %97.50 %95.00 %92.50 %90.00 %87.50 %85.00 %82.50 %80.00 %77.50 %75.00 %72.50 %70.00 %67.50 %65.00 %62.50 %60.00 %57.50 %55.00 %52.50 %50.00 %47.50 %45.00 %42.50 %40.00 %37.50 %35.00 %32.50 %30.00 %27.50 %25.00 %22.50 %20.00 %17.50 %15.00 %12.50 %10.00 %7.50 %5.00 %2.50 %0.00 %

15100 15200 15300 15400 15500 15600 15700 15800 15900 16000 16100 16200 16300 16400 16500 16700 16800 16900 17000 17100 17200 17300 17400 17500 17600 17700 17800 17900 18000 18100 18200 18300 18400 18500 18600 18700 18800 18900 20000 20100 20200

GRAFICO N 01 SELECCIÓN DELMODULO DE RESILENCIA DE DISEÑO DE LA SUBRASANTEPOR

CENTAJE

IGUAL O M

AYOR QU

E

MODULO RESILENCIA (Mr), PSIFuente: Instituto del Asfalto (MS-1) 1991

15000



5.1.3 DETERMINACION DEL ESPESOR DE DISEÑO

a. CÁLCULO DE LOS ESPESORES

CÁLCULO MEDIANTE LAS CARTAS DE DISEÑO

Por las consideraciones anteriores procederemos a determinar el espesor del

pavimento con concreto asfáltico sobre base de agregados no tratados; para el

efecto nos remitiremos a las cartas de diseño del Manual para agregados no

tratados de 30 cm (11.8”).

Para entrar a las cartas de diseño del manual es necesario conocer la

temperatura Media Anual del Aire (MAAT).

Consideraremos una temperatura media anual de 7 ºC con efectos de heladas

para el tramo ubicado en nuestra zona.

Entrando a la carta de diseño de la figura 7–12 “base de agregados no tratados

de 300 mm de espesor” con el EAL calculado de 2.1 x 10^6 y un módulo de

resiliencia para la subrasante de 110.89 Mpa se encuentra un espesor de

concreto asfáltico de 143 mm, equivalente a 5.6 “, según tabla Nº 03 cumple

espesores mínimos.

Por consiguiente el diseño es de:

Concreto Asfáltico : 5.6” (143 mm)

Base : 6” (152 mm)

Sub base : 6” (152 mm)

ESPESOR TOTAL : 17.6” (447 mm)

5.2 MÉTODO SHELL PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS

FLEXIBLES.

5.2.1 PRINCIPIOS DE DISEÑÓ

Para determinar el diseño estructural del pavimento flexible, se realizo mediante

los siguientes pasos:


14.3 cm

15.2 cm

15.2 cm

88


a. DETERMINACIÓN DE LA TEMPERATURA w-MAAT.

Para la determinación de la temperatura w-MAAT, se obtuvo la temperatura media

de puno de varios años sacando un promedio por meses, y se realizo el calculo

mediante el uso del siguiente ábaco.

(ºC)

Años Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun. Jul. Ago. Set. Oct. Nov. Dic.

1985 9.7 10.3 9.9 8.1 6.2 5.3 5.3 6.5 7.5 9.2 10.3 1.4

1986 11.7 11.0 11.4 10.4 8.4 7.1 7.4 7.3 8.5 8.6 9.9 1.3

1987 9.2 9.1 9.6 8.7 7.6 6.7 5.4 6.4 7.2 9.6 9.7 10.0

1988 9.6 9.2 9.7 9.0 7.8 6.2 5.3 7.0 8.0 8.7 8.6 9.1

1989 9.6 9.2 9.2 8.8 6.1 5.5 4.4 6.3 7.4 8.4 9.6 9.9

1990 10.0 9.8 9.4 9.0 8.0 6.1 5.8 7.2 8.8 9.5 10.8 11.3

1991 10.0 10.5 10.0 9.2 7.8 5.6 5.9 7.3 9.0 9.4 10.3 10.1

1992 9.2 8.7 8.8 8.6 7.3 6.4 5.3 7.1 8.7 10.0 9.6 10.7

1993 10.0 9.7 9.5 9.0 8.0 5.8 5.8 6.6 7.8 9.6 9.8 10.4

1994 10.2 10.5 9.9 9.0 7.1 5.4 5.6 6.7 7.8 9.5 9.5 10.2

1995 9.8 9.8 9.8 9.5 8.2 6.5 5.8 6.1 8.4 9.2 9.7 10.5

1996 9.6 9.5 9.5 9.6 8.0 5.9 7.2 7.5 9.0 10.0 10.8 11.6

1997 10.9 10.3 9.7 9.5 7.7 6.1 6.4 7.4 9.1 10.0 10.9 10.9

1998 11.1 10.8 10.0 9.9 8.0 6.5 7.0 8.5 9.6 10.0 11.1 9.9

1999 10.3 10.0 10.0 9.7 8.1 6.5 5.8 6.8 8.2 9.4 10.0 10.1

2000 9.7 9.0 8.9 7.6 7.1 6.0 6.8 6.9 8.9 9.9 10.6 12.2

2001 10.0 11.4 11.2 10.3 9.7 6.4 7.9 9.1 9.2 8.9 9.2 9.9

2002 11.1 10.3 10.4 9.9 8.2 6.7 7.8 8.7 9.6 10.1 11.2 12.0

2003 10.7 10.4 10.3 9.7 8.9 7.3 6.5 9.1 9.9 8.9 10.8 10.2

2004 9.8 9.8 9.9 9.6 6.9 7.5 6.3 7.2 9.6 10.3 11.6 10.9

2005 11.1 10.8 10.8 9.95 8.6 8.4 7.8 7.8 9.3 10.1 11.0 11.2

2006 10.5 10.9 10.6 9.63 8.1 5.8 6.3 6.8 8.0 9.8 10.7 11.4

T prom. 10.2 10.0 9.9 9.3 7.8 6.3 6.3 7.3 8.6 9.5 10.3 9.8

Fuente: Servicio Nacional de Meteorología e Hidrografía - Puno.

TEMPERATURAS MEDIAS REGISTRADAS, SERIE HISTÓRICA. 1985 - 2006



En la figura, obtenemos la temperatura w-MAAT que seria igual a 9°C.

b. DETERMINACIÓN DEL MODULO DE RESILIENCIA DE LA SUBRASANTE

(MR).

Mediante las fórmulas ya descritas en el capitulo II, del presente trabajo

calculamos el Mr de la subrasante, subbase y base. El CBR utilizado para la

subrasante es la misma que la que se utilizo en el método del Instituto del Asfalto.



Mr (N/m²) FórmulaSub rasante 10^7xCBR 1.17E+08 Fórmula única

Sub base 10^7xCBR 1.98E+08 Fórmula únicaBase 10^7xCBR 4.83E+08 Fórmula única

Fuente: Alfonso Montejo Fonseca

ComentarioMet. Shell

Capa

Por lo tanto, el Mr de la subrasante será Mr = 107xCBR = 107 x 11.66 = 1.17 x 108

N/m².

c. DETERMINACIÓN DEL ESAL.

Al igual que en el método de diseño anterior, este valor se calcula aplicando la

siguiente formula.

N = 1231303.43

N = 1.2x106

5.2.2 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

Según la clasificación de estos tipos de mezclas, se ha adoptado el tipo S1-F1-

100, que se refiere a una mezcla corriente de cemento asfáltico de alta rigidez y

con contenidos normales o promedios de agregados, de asfalto poseen una alta

resistencia y con cantidades moderadas de vacíos con aire. La penetración es

100 lo mas recomendable según este tipo de mezcla que es empleado en climas

fríos como en nuestra zona.

La gráfica que cumple los tres primeros parámetros es la HN-53.

En el chart HN-53 se ha efectuado una abstracción de la curva correspondiente al

transito N = 1.2x106 ejes equivalentes de 8.2 toneladas. Los números entre los

círculos corresponden a los módulos resilientes de las capas granulares,

expresado en 108.



Se presentan tres casos: el dos dentro del circulo (2) indica el modulo de

resiliencia MR = 2x108 N/m² que corresponde a un CBR=20%, el (4) modulo de

resiliencia MR=4x108, o sea CBR=40%; el (8) modulo de resiliencia MR=8x108, o

sea CBR=80%.

Cualquier punto que quede sobre la curva de N = 1.2x106 ejes de 8.2 toneladas

dará una combinación de espesores de capas asfálticas y granulares que

satisfacen criterios de deformación en los cuales se basa el método, por tanto se

pueden presentar múltiples alternativas de diseño.

Alternativa N°01

Considera un espesor pleno en concreto asfáltico, nada en capas granulares, que

da un espesor de 245 mm que garantiza que las deformaciones y están

dentro de los limites admisibles para el periodo de diseño.



Alternativa N°02

Considera una capa asfáltica y granular que tiene un CBR =20%. Se parte del

punto 2 que esta sobre la curva de N = 1.2x106 ejes equivalentes y allí se obtiene

un espesor de h1=175 mm en concreto asfáltico y h2=175 mm.

Alternativa N°03

Considera una capa asfáltica, una granular que tiene un CBR =20% y otra con

CBR=40%. Se parte del punto 3 sobre la curva de N = 1.2x106 ejes equivalentes y

ahí se obtiene un espesor de capas asfálticas de 150 mm y las capas granulares

de 250 mm que debe dividirse en dos materiales disponibles.

En el cruce donde las horizontal parte del punto 3 corta la línea a trazos que

divide los materiales de CBR=20% y CBR=40%, se determina el espesor por

colocar del material con CBR=20% que da 150 mm. El espesor por colocar del

material de CBR= 40% será la diferencia 250 – 150 = 100 mm con los espesores

obtenidos.

Capas asfálticas = 150 mm

Capa granular con CBR=40% = 100 mm


Espesor del pavimento = 400 mm

Alternativa N°04

Considera una capa asfáltica y tres granulares con CBR =20%, CBR=40% y

CBR=80%. Se parte del punto 4 que es quiebre de las dos curvas que satisfacen

los criterios de deformación por tracción y de compresión, para el transito N =

1.2x106 ejes equivalentes y allí se obtiene un espesor de capas asfálticas de 67

mm y las capas granulares de 410 mm que debe dividirse en tres materiales

disponibles. Para ello se buscan los puntos de encuentro entre la horizontal que

parte el punto 4 y las líneas a trazos que dan espesores de 223 y 67 mm

respectivamente. De allí procedemos a distribuir nuestras capas, las que

finalmente quedara:



Capas asfálticas = 67 mm




Espesor del pavimento = 446 mm

Cuadro 11. Alternativas de espesores calculados, con el SHELL.

CBR ≥ 20 CBR ≥ 40 CBR ≥ 80

I - - - 245

II 175 - - 175

III 150 100 - 150

IV 67 156 156 67

Resumen de alternativas de diseño

Alternativa N°. Espesor de las capas granulares, mm h2 Espesor de las capas asfálticas,

mm h1

5.2.3 PROPUESTA DE ESPESORES UTILIZANDO EL MÉTODO SHELL.

ALTERNATIVA Espesor Espesor EspesorNº total C. asfaltica no A. Asfalt CBR ≥ 20 CBR ≥ 40 CBR ≥ 80

I 245 245 0 0 0 0II 350 175 175 175 0 0III 400 150 250 150 100 0IV 446 67 379 67 156 156

CAPAS NO ASFALTICAS

Desde el punto de vista de análisis de costo se elige la alternativa IV, cuyo espesor

del pavimento es:

plg. cm.CARPETA ASFALTICA 2.64 " 3.00 7.62

BAS E 14.92 " 7.00 17.78

SUBBASE 8.00 20.32

ALTERNATIVA Nº IV

CAPAESPESOR

DE DISEÑO

SEGÚN ESPESORES MINÍMOS


7.62 cm

17.78 cm

20.32 cm

94


MÉTODO AASHTO 93

5.3.1 PRINCIPIOS DE DISEÑÓ

El procedimiento de diseño es realizado con la suposición dé un numero estructural

del pavimento y se efectúa tanteos analíticamente hasta equilibrar la expresión de

diseño del pavimento o a través de monogramas.

La ecuación básica de diseño propuesto por la AASHTO 93 es la siguiente:

Donde:

W18 = Trafico

Zr = 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.

SN = a1D1+a2D2m2+a3D3m3

a = Coeficiente de capa.

D = Espesor de capa (in)

m = Coeficiente de drenaje de la capa

Para la realización del diseño de la estructura del pavimento flexible mediante este

método se realizo mediante los siguientes pasos:

a. DETERMINACIÓN DEL ESAL

Se trata de determinar N, mediante la siguiente fórmula.

o El transito promedio diario TPD:



De la misma manera que en los casos anteriores, el valor del TPD = 416

veh/día.

o Determinación de A. (vehículos pesados), se obtiene del Registro de

aforo vehicular. (cuadro 01).

% de vehículos pesados=79.69%

A = 79.69 %

o Determinación de B. (vehículos pesados que emplean el carril de

diseño), empleando tabla 01.

NUMERO DE CARRILES PORCENTAJE DE CAMIONES EN

(DOS DIRECCIONES) EL CARRIL DE DISEÑO

2 50

4 45

6 ó más 40

PORCENTAJE DEL TRAFICO TOTAL DE CAMIONES EN EL CARRIL DE DISEÑO

Ref. Guía para diseño de Pavimentos:AASHTO, 1993

Por ser una vía de dos carriles, entonces B= 50%

o Factor de crecimiento r.

El factor de crecimiento es 5.11 % Anual, según el Tránsito Equivalente a

un eje simple de 18000 lb.

o Factor Camión.

Del cálculo realizado por el método de conteo y pesaje y se obtuvo un

factor camión de:

FC=1.57

o Numero de ejes equivalentes de 8.2 ton (N).



Reemplazando en formula se obtiene que:

N = 1231303.43

N = 1.2x106

b. MODULO DE RESILIENCIA DE LA SUBRASANTE.

Para la obtención del modulo de resiliencia, se utilizó el dato de CBR de la

subrasante (CBR = 11.66 %), obtenidos anteriormente:

MR= 17.3 (11.66)0.64 entonces 83.316 MPa = 12662 Psi

c. COEFICIENTES DE CAPA.

o CARPETA ASFÁLTICA.

El Coeficiente Estructural será - a1D1.

Donde:

Estabilidad Marshall - 812 kg - 1790 lb.

a1 = 0.41

(Fuente: Tesis, Análisis y Propuesta para la Pavimentación del Parque Industrial – Juliaca).



CAPA SUB BASE.

Para encontrar el valor de coeficiente de capa a3 de las subbases, se usa

el siguiente ábaco, en la cual la línea vertical del lado extremo derecho,

horizontalmente se traza una línea hasta encontrar la línea vertical del

extremo, lo cual da un valor de a3.

Fuente: Guía para diseño de estructuras de pavimento, AASHTO. 1993

CBR = 19.77 %

a3 = 0.093

o CAPA BASE

Para encontrar el valor de coeficiente de capa a2 de las bases, se usa el

siguiente ábaco, en la cual la línea vertical del lado extremo derecho,

horizontalmente se traza una línea hasta encontrar la línea vertical del

extremo, lo cual da un valor de a2



Fuente: Guía para diseño de estructuras de pavimento, AASHTO. 1993

CBR = 48.26 %

a2 = 0.11

d. COEFICIENTE DE DRENAJE

Considerando que 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.

Para el caso los materiales a ser usados tienen una calidad regular de drenaje y

esta expuesto en un 20% durante un año normal de precipitaciones. (Fuente:

Tesis, Análisis y Propuesta para la Pavimentación del Parque Industrial – Juliaca)

Por lo tanto asumiremos un valor de m2 y m3 = 1.05

<1 1-5 5-25 >25Excelente 1.40-1.35 1.35-1.30 1.30-1.20 1.20Bueno 1.35-1.25 1.25-1.15 1.15-1.00 1.00Regular 1.25-1.15 1.15-1.05 1.05-0.80 0.80Pobre 1.15-1.05 1.05-0.80 0.80-0.60 0.60Muy Pobre 1.05-0.95 0.95-0.75 0.75-0.40 0.40

Calidad de drenaje% de tiempo del año en que el pavimento esta expuesto a niveles de

saturacion

Coeficientes de drenaje Cd

Fuente: Guía para diseño de estructuras de pavimento, AASHTO, 1993



e. CONFIABILIDAD Y ZR

Del cuadro mostrado a continuación asumiremos una confiabilidad del 80%,

(Fuente: Tesis, Análisis y Propuesta para la Pavimentación del Parque Industrial –

Juliaca), lo que posteriormente nos dará una desviación estándar de ZR = - 0.841.

50 0.00060 -0.25370 -0.25475 -0.67480 -0.84185 -1.03790 -1.28291 -1.34092 -1.40593 -1.47694 -1.55595 -1.64596 -1.75197 -1.88198 -2.05099 -2.327

99.9 -3.09099.99 -3.750

Desviación Estandar


Confiabilidad

f. SERVICIABILIDAD

Según recomendaciones de la AASHTO, asumiremos una serviciabilidad inicial de

4.2, y una serviciabilidad final de 2.0, entonces tendremos que el ∆PSI = Po - Pt =

4.2 - 2 = 2.2

g. ERROR ESTÁNDAR COMBINADO DE PREDICCIÓN DEL TRAFICO

Según recomendaciones de la AASHTO, para pavimentos flexibles este error total

de desviaciones estándar, según el siguiente cuadro:

VARIACION EN LA PREDICCION DELCOMPORTAMIENTO DEL PAVIMENTO RIGIDO FLEXIBLESin errores de transito 0.25 0.35Con errores de transito 0.35 0.45Fuente: Guía para diseño de estructuras de pavimento, AASHTO, 1993

DESVIACION ESTANDAR



h. CALCULO DEL NUMERO ESTRUCTURAL

PROYECTO: INFORME TECNICO UNA-PUNOFECHA:

: 10 años: 5.11 %: 11.66 %

TRANSITO PROMEDIO DIARIO : 416 Vehi/dia

ESAL's : 1231303.43ÍNDICE DE SERVICIABILIDAD INICIAL (Po) : 4.2ÍNDICE DE SERVICIABILIDAD FINAL (Pf) : 2MODULO DE RESILIENCIA (MR) : 12662.18 psiCOEFICIENTE DE DRENAJE : 1.05NIVEL DE CONFIABILIDAD : 80DESVIACION ESTANDAR NORMAL : -0.841ERROR ESTANDAR COMBINADO : 0.45

Numero Estructural indicativo del espesor total del pavimento

SN (ecuacion de diseño) = 2.642

Capa coeficiente de capa3 "6 "6 "

2.692

Como 2.692 es mayor que 2.642 OK

CALCULO DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

0.11

EspesorCarpeta asfálticaBase

0.41

MÉTODO AASHTO-93

DATOS DEL PROYECTO:

PERIODO DE DISEÑO (PD)TASA DE CRECIMIENTOSUELO DE FUNDACION (CBR)

DATOS DE DISEÑO

ECUACION DE DISEÑO

subbase 0.093

DISEÑO DE ESPESORES

espesores asumidos

07.8log32.2

)1(

109440.0

5.12.4log

20.0)1log(36.9)(log

19.5

18

Mr

SN

PSI

SNSZW OR

33322211 DmaDmaDaSN



i. RESULTADO DE ESPESORES

Finalmente el diseño de la estructura del pavimento propuesto quedara de la

siguiente manera.

Plg. Cm.2.642 3 7.62

6 6 15.246 6 15.24

ESPESORES MINIMO CAPA

Carpeta Asfáltica

SubbbaseBase

ESPESOR DE DISEÑO (plg)


7.62 cm

15.24 cm

15.24 cm

102


CAPITULO VI

EVALUACIÓN DE LOS MÉTODOS DE DISEÑO

En todo diseño realizado, por varios métodos se procede a seleccionar el diseño mas

adecuado que permita garantizar la vida útil del pavimento, además esta deberá ser la

mas económica; para ello, en el siguiente capitulo procedemos a realizar una evaluación

de las estructuras de pavimento realizado por los tres métodos de diseño de pavimentos

flexibles (Instituto del Asfalto, método SHELL y el AASHTO93).

En el presente capitulo se muestran los resultados obtenidos, de los espesores de los

pavimentos realizados por los tres métodos de diseño. Para ello se colocaran los

resultados en unidades de pulgadas debido a que es la unidad que comúnmente usamos,

para estos tipos de trabajos.

Para la evaluación de los espesores de la estructura del pavimento hallado por los

métodos ya mencionados anteriormente, esta se realiza por ítems, en el presente

capitulo.

6.1 DISEÑOS OBTENIDOS

Para la realización de los diseños correspondientes se tuvo en cuenta, parámetros

adecuados a nuestro medio, tales como son el drenaje, el tipo de carretera, etc.

6.1.1 ESPESOR PROPUESTO MEDIANTE EL USO DEL MÉTODO DEL INSTITUTO

DEL ASFALTO

El espesor propuesto haciendo uso del Método del Instituto del Asfalto es el

siguiente:

Alternativas propuestas haciendo uso del método del Instituto del asfalto.

Concreto Asfáltico 5.6 " (14.22 cm)

Base Granular 6.0 " (15.24 cm)

Sub base Granular 6.0 " (15.24 cm)

RESULTADO DE ESPESORES



a. EVALUACIÓN DEL MÉTODO DE DISEÑO.

o El método de diseño del Instituto del Asfalto, considera como datos de

entrada el módulo resiliente de diseño de la subrasante y el ESAL, por lo

tanto sus espesores dependerán directamente de estos dos parámetros.

o El método nos proporciona ábacos de diseños, para las cuales existirán

tres alternativas, una que considera solo una capa de carpeta asfáltica,

otra con una base de 15 cm. de espesor y otra con 30 cm., según la

temperatura media del ambiente, para poder incrementar el espesor de

las capas de base y subbase, con la finalidad de disminuir el espesor de

la carpeta asfáltica, ya que será la que incida más en el costo del

pavimento.

o El método del Instituto del Asfalto, es un método conservador ya que, si

nosotros diseñamos los espesores de la estructura del pavimento,

obtendremos espesores de carpeta asfáltica relativamente altos, lo que

para nuestra zona dificultaría su realización debido al alto costo que esta

tendría.

6.1.2 ESPESOR OBTENIDO MEDIANTE EL MÉTODO SHELL

El espesor hallado mediante el método Shell es el siguiente:

Según la alternativa IV

plg. cm.CARPETA ASFALTICA 2.64 " 3.00 7.62

BAS E 14.92 " 7.00 17.78

SUBBASE 8.00 20.32

ALTERNATIVA Nº IV

CAPAESPESOR

DE DISEÑO

SEGÚN ESPESORES MINÍMOS


El método SHELL, de diseño de pavimentos flexibles, resulta una alternativa

adecuada debido a que obtenemos valores de espesores de la estructura

del pavimento aceptables en nuestra zona.

Para realizar un diseño real, por este método se debió contar con todos los

datos de ensayos, pero el diseño realizado mediante este método se



aproxima al real ya que se tomaron todas las recomendaciones y

consideraciones propuestas por este método.

Este método es apropiado según nuestras condiciones socioeconómicas de

nuestra región, la única limitante seria que esta requiere necesariamente

que los suelos cumplan con los requisitos de base y subbase en lo referido

al CBR mínimo; las cuales dependiendo de la zona de ejecución del

proyecto puede que no tengamos ese tipo de materiales.

Se propusieron 4 soluciones técnicas (I, II, III y IV). Entre ellas se seleccionó

alternativa IV como la solución técnico-económica por ser el de menor

costo.

6.1.3 ESPESOR MEDIANTE EL MÉTODO AASHTO 93.

El espesor hallado mediante el método AASHTO 93 es el siguiente:

Plg. Cm.2.642 3 7.62

6 6 15.246 6 15.24

ESPESORES MINIMO CAPA

Carpeta Asfáltica

SubbbaseBase

ESPESOR DE DISEÑO (plg)


o El método AASHTO 93, resulta una alternativa adecuada de diseño de

pavimentos flexibles, ya que obtendremos espesores de carpeta

asfáltica, base y subbase adecuados a nuestra situación

socioeconómica, además de ser un método que considera mayores

parámetros a comparación de los otros métodos de diseño.

o Este método, parte directamente con el CBR del suelo, y tanteando con

espesores adecuados de carpeta asfáltica, base y subbase, además de

utilizar coeficientes de capa y un coeficiente de drenaje obtendremos un

número estructural la que posteriormente comparamos con el número

estructural obtenida mediante la ecuación propuesta por el método, el

número estructural asumido deberá ser mayor al obtenido mediante la

ecuación básica.



o Los espesores de las capas variaran directamente con el módulo

resiliente de la subrasante, y el ESAL, que serán los parámetros que

finalmente determinaran el espesor final del pavimento

SE

CC

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DE

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TO

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CO

ME

ND

AD

O

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TO

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DE

AA

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1,2

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3,3

3,3

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5.24

CM

.

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15.

24

CM

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RO

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DE

6.7

1 C

M.



CAPITULO VII

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES

1. Se logra determinar los espesores de las capas de diseños estructurales en

pavimentos flexibles estudiados mediante el cálculo de ESAL, para lo cual se

determino el TPD, el número de carril, el número de vehículos pesados, factor

camión y el factor de crecimiento.

ESPESORINSTITUTO

DEL ASFALTO

SHELL AASHTO 93

CAPA ASFALTICA 5.6 " 3.0 " 3.0 "BASE 6.0 " 7.0 " 6.0 "

SUB BASE 6.0 " 8.0 " 6.0 "

2. En el método de instituto del Asfalto

En vista que nuestro ESAL de diseño es de orden de 2.1x10^6, le corresponde un

percentil de 87.5 % de CBR, con este valor obtenemos el módulo de resiliencia.

Para determinar los espesores del pavimento flexible, se utilizará el valor del ESAL

y el módulo de resiliencia de la subrasante de diseño, ubicándonos en ábaco (carta

de diseño) TMAA-7ºC (base de agregado no tratados de 300mm de espesor).

3. Método del SHELL

El diseño del método Shell considera cuatro alternativas para la determinación de

los espesores de capas y son los siguientes:

Alternativa I: considera un espesor total de concreto asfáltico

Alternativa II: Considera capa asfáltica y una capa granular de 20% de CBR

Alternativa III: Considera capa asfáltica y dos capas granulares de 20 y 40% de

CBR

Alternativa IV: Considera capa asfáltica y tres capas granulares de 20, 40 y 80%

de CBR.

Para la determinación de los espesores por este método se considera el gráfico

CHART HN – 53, con los siguientes parámetros:



Valor de EAL de 1.6x106.

Temperatura w-MAAT igual a 12°C.

Mr de la subrasante 1.17 x 108 N/m².

Código de asfalto S1-F1-100

Para la elección de los espesores de la estructura del pavimento, Shell considera el

costo de la carpeta asfáltica, eligiendo el menor costo de las cuatro alternativas

analizadas.

4. Método AASHTO 93

Para su obtención de espesores AASHTO 93, determina varios parámetros: CBR

de la subrasante para la obtención del módulo de resiliencia, los coeficientes de

capas, drenaje y espesores de capa, confiabilidad, servicialidad y error estándar.

Para la determinación de los espesores se utiliza la ecuación básica de diseño

propuesto por AASHTO 93 y la ecuación del número estructural; optando que el

número estructural debe ser mayor que la ecuación básica.



RECOMENDACIONES

1. Los espesores obtenidos mediante el uso del método del Instituto del Asfalto,

resultan ser conservadores, obteniendo espesores mayores para su aplicación, se

recomienda mejorar el suelo de fundación, para poder obtener menor espesor de

carpeta asfáltica, y por ende disminuir el costo de ejecución del proyecto.

2. Con el método SHELL se obtiene cuatro alternativas de diseño, entre ellas se

selecciona la alternativa IV como la solución técnico-económica por ser el de

menor costo para la estructura del pavimento, por lo que vendría a ser una opción

de diseño de pavimentos flexibles, a ser utilizado en nuestra región y condiciones

ambientales (temperatura y lluvias), propias de nuestra zona.

3. Por el método AASHTO 93 se determino los espesores en el diseño de

pavimentos flexibles, por que este diseño considera trabajar con agregados no

tratados de la base y subbase, obteniendo espesores finales adecuados a nuestra

región. Además el método AASHTO 93, considera un mayor número de

parámetros, en comparación a los otros métodos y cuenta con respaldo de

muchos proyectos ejecutados, por lo que se recomienda, utilizar este método de

diseño de pavimentos flexibles.



REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Montejo Fonseca, Alfonso; “Ingeniería de Pavimentos para Carreteras”, Segunda

Edición, 2002, Colombia.

Vivar Romero, Germán; “Diseño y Construcción de Pavimentos”, Segunda

Edición, Setiembre 1995, Lima-Perú.

Rafael Cal y Mayor Reyes Espíndola; “Manual de Estudios de Ingeniería de

Transito”.

Olivera Bustamante, Fernando; “Estructuración de Vías Terrestres”, Quinta

Reimpresión, 2002, México.

Rico Rodríguez, Alfonso, “Pavimentos Flexibles. Problemática, Metodologías de

Diseño y Tendencias”, Publicación Técnica N°104 Sanfandila, Qro, 1998, México.

Gálvez Caparo, Miguel A. y Quispe Aruhuanca, David, “Tesis-Estudio Integral de

Alternativas de Pavimentación-Centro Poblado Menor de Salcedo”, 2001, Puno-

Perú.

Coyla Sanchez, Daniel, “Análisis y Propuesta para la Pavimentación del parque

Industrial-Juliaca”, Puno-Perú.



ANEXOS



ANEXO Nº 01

ÁBACOS DE DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE POR EL MÉTODO DEL

INSTITUTO DEL ASFALTO

A continuación se muestran las tablas usadas, para el diseño de espesores de estructura

de pavimento propuesto por el Instituto del Asfalto.





















ANEXO Nº 02

ÁBACOS DE DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE POR EL MÉTODO DEL SHELL

A continuación se muestran las tablas usadas, para el diseño de espesores de estructura

de pavimento propuesto por el SHELL.












Documents

diseño estructural de pavimento flexible