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Pavimentos
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INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO”
ESCUELA DE INGENIERA CIVIL
EXTENSIÓN MATURÍN
DISEÑO DE PAVIMENTOS
PROFESOR: BACHILLER:
ING. GUSTAVO PEÑALOZA ORLANYELY MARTÍNEZ C.I: 19.781.962
JOSÉ MANUEL GONZÁLEZ C.I: 20.248.830
FRANCISCO JIMÉNEZ C.I: 21.348.735 Maturín, noviembre de
2014
INTRODUCCIÓN
Unidad III Diseño de Pavimentos Flexibles.
Pavimentos flexibles.
Un pavimento flexible se define como la capa o conjunto de
capas de materiales apropiados comprendidas entre el nivel
superior de las terracerías (calles de tierra) y la superficie de
rodamiento cuya función es proporcionar una superficie uniforme,
de color y textura apropiados, resistente y para transmitir a las
terracerías los esfuerzos producidos por cargas impuestas en el
tránsito.
Características del pavimento flexible.
Un pavimento flexible se adapta a las cargas. La estructura de
pavimento flexible está compuesta por varias capas de material.
Cada capa recibe cargas, se extiende en ella, y pasa a estas cargas,
a la siguiente capa inferior. Por lo tanto, la capa más abajo en la
estructura del pavimento, recibe menos carga.
Con el fin de aprovechar al máximo esta propiedad, las capas
son generalmente dispuestas en orden descendente de capacidad
de carga, por lo tanto la capa superior será la que posee la mayor
capacidad de carga de material (y la más cara) y la de más baja
capacidad de carga de material (y más barata) ira en la parte
inferior.
Elementos del pavimento flexible.
La Subrasante:
Es la capa del terreno de una carretera que soporta la
estructura de pavimento. Se extiende hasta una profundidad que no
afecte la carga que corresponde al tránsito previsto. Esta puede
estar formada en corte o relleno y una vez compactada debe tener
las secciones transversales y pendientes especificadas en los
planos finales de diseño.
El espesor del pavimento dependerá, en buena parte, de la
calidad de la subrasante, por lo que es recomendable que sea
resistente, incompresible e inmune a cambios por humedad. Son
ideales los materiales granulares, con porcentajes de hinchamiento
que cumplan con la AASHTO T 193. Durante la construcción, un
espesor equivalente a la subrasante deberá escarificarse,
homogenizarse, mezclarse, conformarse y compactarse totalmente,
hasta alcanzar la densidad máxima definida en la AASHTO T180.
La Subbase:
Se encarga de soportar y distribuir uniformemente las cargas
aplicadas en la rodadura de pavimento. Debe por lo tanto ser capaz
de controlar los cambios de volumen y elasticidad, que puedan
dañar el pavimento. Sirve como capa de drenaje y controla la
ascensión capilar, lo que protege la estructura de pavimento. En su
construcción se recomienda el empleo de materiales granulares. En
los pavimentos flexibles esta capa sirve como material de
transición.
El material de la subbase debe tener un CBR mayor que el de
la subrasante y su espesor puede variar por tramos, de acuerdo con
la calidad de la subrasante. Para su construcción se verificará que
los materiales cumplan con la AASHTO T-193sobre una muestra
saturada según AASHTO T180, sin bloques mayores que 2/3 del
espesor de la capa, verificando el IP según AASHTO T-90 y límites
según AASHTO T89, además de estar libre de impurezas. Se colocan
en capas de 20 cm máximo, homogenizadas, conformadas y
compactadas, hasta alcanzar su máxima densidad.
La Base:
Es la que distribuye las cargas a la subbase, por lo que se la
debe construir con piedra de buena calidad, triturada y mezclada
con material de relleno, o bien con suelo y grava. Su estabilidad
dependerá de la graduación de las partículas, su forma, densidad
relativa, fricción interna y cohesión, por lo que el material debe
cumplir con las normas AASHTO T193, AASHTO T180 y AASHTO T
193; estar libre de impurezas orgánicas, y la porción retenida en el
tamiz Nº 4 debe cumplir con la prueba de desgaste AASHTO T96.
Por su parte, el porcentaje que pasa la malla Nº 40 debe cumplir
con los límites indicados en AASHTO T90 Y T89 y el porcentaje que
pasa la malla 200 debe ser menor que la mitad del porcentaje que
pasa el tamiz No.40.
Durante su construcción, si el espesor de la base es mayor
que 20 cm, la compactación se hará por capas no mayores de 20
cm ni menores a 10 cm, humedeciendo la superficie de contacto
entre ellas.
En el caso de los materiales estabilizados, sus características
mecánicas cambian y se incrementa significativamente el módulo
de resilencia. Se deberán realizar estudios de laboratorio para
determinar las cantidades y límites razonables a utilizar.
Utilización del pavimento flexible
La utilización de los pavimentos flexibles se realiza
fundamentalmente en zonas de abundante tráfico como puedan ser
vías, aceras o parkings.
Ventajas y desventajas
Ventajas:
Resulta más económico en su construcción inicial.
Tiene un periodo de vida de entre 10 y 15 años.
Desventajas:
Requiriere mantenimiento constante para cumplir con su vida
útil.
Las cargas pesadas producen roderas y dislocamientos en el
asfalto y son un peligro potencial para los usuarios. Esto
constituye un serio problema en intersecciones, casetas de
cobro de cuotas de peaje, rampas, donde el tráfico está
constantemente frenando y arrancando. Las roderas llenas de
agua de lluvia en estas zonas, pueden causar
derrapamientos, pérdida de control del vehículo y por lo
tanto, dar lugar a accidentes y a lesiones personales.
Las roderas, dislocamientos, agrietamientos por temperatura,
agrietamientos tipo piel de cocodrilo (fatiga) y el
intemperismo, implican un tratamiento frecuente a base de
selladores de grietas y de recubrimientos superficiales.
El hidroplaneo6 es también un problema serio en caminos con
roderas, sobre todo en rutas interestatales y primarias.
Existen estudios donde se demuestra que las distancias de
frenado para superficies de concreto son mucho mayores que
para las superficies de asfalto sobre todo cuando el asfalto
esta húmedo y con roderas.
Una vez que se han formado roderas en un pavimento de
asfalto, la experiencia ha demostrado, que la colocación de
una sobrecarpeta de asfalto sobre ese pavimento no evitara
que se vuelva a presentar.
Las roderas reaparecen ante la incapacidad de lograr una
compactación adecuada en las roderas que dejan las ruedas
y/o ante la imposibilidad del asfalto de resistir las presiones
actuales de los neumáticos y los volúmenes de tráfico de hoy
en día.
La reflexión de grietas es otra forma de falla de sobrecarpetas
de asfalto, que puede reducir apreciablemente la vida útil
esperada.
En la mayor parte de los casos, el asfalto sub diseñado de la
primera etapa se deteriora antes de poder colocar el primer
reencarpetado proyectado. Las sobrecarpetas delgadas
subsecuentes no se comportaron bien porque la falla original
del asfalto, se refleja rápidamente a través del citado
reencarpetado. Aun cuando se especifique una sobrecarpeta
de asfalto más gruesa, los resultados no mejoran
apreciablemente. Se ha demostrado que en las sobrecarpetas
más gruesas, se forman más roderas que en recubrimientos
delgados.
La presencia de un nivel freático alto y/o de suelos débiles
subyaciendo a un pavimento asfáltico que ha fallado, es muy
probable que necesiten excavarse y rellenarse en un espesor
a veces de más de un metro como etapa previa a la
construcción.
Las restricciones en cuanto a cargas por eje (de camiones)
resultan difíciles de aplicar, y es frecuente ver que los
camiones que exceden los pesos restringidos circulan sobre
los pavimentos asfálticos.
Método de diseño
El método considera las siguientes variables de diseño:
• Características de la subrasante o fundación.
• Repeticiones de cargas.
• Nivel de falla o comportamiento del pavimento.
• Confiabilidad estadística.
• Estructura de pavimento y materiales disponibles.
Características De La Subrasante O Fundación:
El valor soporte de la subrasante o fundación del pavimento
debe caracterizarse en términos de Módulo Resilente (Mr) en
función de las condiciones de humedad a que estaría sometido el
suelo a lo largo del año, ya que esta condición afecta su valor
soporte, en especial en suelos finos arcillosos.
Repeticiones De Cargas:
La demanda o cargas sobre el sistema se estiman en función
del número de repeticiones de Ejes Equivalentes (EE) a 18.000 lbs,
esperadas durante el periodo de diseño.
Nivel De Falla O Comportamiento Del Pavimento:
Esta variable considera el nivel de calidad de rodaje
(serviceabilidad) considerado como nivel de falla funcional del
pavimento.
Confiabilidad Estadística:
El método usa un procedimiento estadístico que permite
incluir un factor de seguridad que corrige el diseño en función del
nivel de confiabilidad deseado.
Es importante destacar que la determinación del valor soporte
de la subrasante y la estimación del tráfico o repeticiones de carga
esperados son las variables más importantes y significativas en el
proceso de diseño.
Estructura De Pavimento Y Materiales Disponibles:
La estructura requerida del pavimento, o Numero Estructural
(SN), debe conformarse en función de los materiales disponibles en
la zona para su construcción, estos deben caracterizarse en
términos de su coeficiente estructural, el cual es un indicador de su
resistencia o propiedades mecánicas. Este aspecto será discutido
más adelante.
Método de AASHTO
El método de diseño AASHTO es uno de métodos más utilizados a
nivel internacional para el diseño de pavimentos de concreto hidráulico.
La prueba de pavimentación que en su momento se conoció
como AASHO, por sus siglas en inglés y debido a que en aquel
entonces no estaba integrado el departamento del transporte de EU
a esta organización. Fue concebida y promovida gracias a la
organización que ahora conocemos como AASHTO (“American
Association of State Highway and Transportation Officials”) para
estudiar el comportamiento de estructuras de pavimento de
espesores conocidos, bajo cargas móviles de magnitudes y
frecuencias conocidas y bajo el efecto del medio ambiente. Fue
formulada por el consejo de investigación de carreteras de la
academia nacional de ciencias, consejo nacional para la
investigación, la planeación empezó en 1951, la construcción del
proyecto comenzó en1956 muy cerca de Ottawa, Illinois. EL tráfico
controlado de la prueba se aplicó de octubre de 1958 a noviembre
de 1960, o sea, durante más de dos años.
El objetivo principal de las pruebas consistía en determinar
relaciones significativas entre el comportamiento de varias
secciones de pavimento y las cargas aplicadas sobre ellas, o bien
para determinar las relaciones significativas entre un número de
repeticiones de ejes con cargas, de diferente magnitud y
disposición, y el comportamiento de diferentes espesores de
pavimentos, conformados con bases y sub-bases, colocados en
suelos de características conocidas.
Método AASHTO Para El Diseño De Pavimentos Flexibles
El método AASHTO-1993 para el diseño de pavimentos
flexibles, se basa primordialmente en identificar un “número
estructural (SN)” para el pavimento, que pueda soportar el nivel de
carga solicitado. Para determinar el número estructural, el método
se apoya en una ecuación que relaciona los coeficientes, con sus
respectivos números estructurales, los cuales se calculan con ayuda
de un software, (AASHTO 93) el cual requiere unos datos de entrada
como son el número de ejes equivalentes, el rango de
serviciabilidad, la confiabilidad y el módulo Resiliente de la capa a
analizar.
Método Venezolano
En el caso del pavimento flexible de carreteras, actualmente
en Venezuela se aplica el Método AASHTO-93 y el Método MTC-83, y
para el caso de pavimento flexible para aeropuertos se conoce el
Método del CBR y el Método de la FAA.
En la experiencia de pavimentos diseñados y construidos en
el país, el Método AASHTO-93 ha tenido buena aceptación y
aplicación. Éste método fue introducido por primera vez en 1962
como una "guía provisional de diseño", y se perfecciona en los años
1972, 1981 y nuevamente en 1986; posteriormente en el año 1993,
se actualiza el procedimiento de diseño de rehabilitaciones (pero se
mantiene igual al del año 1986).
En Venezuela el Método AASHTO -93 fue adaptado y validado
para las condiciones particulares del país por el Dr. Augusto Jugo,
en el año 1997.
Para el año 2002 se esperaba una nueva versión de este
método, la cual sin embargo, solo fue dada a conocer a los
profesionales de ésta área de investigación en el año 2004, y se
espera que esté disponible como herramienta de diseño para el año
2015.
Unidad IV Diseño de Pavimentos Rígidos
Pavimentos Rígidos
Son aquellos formados por una losa de concreto Pórtland
sobre una base, o directamente sobre la sub-rasante. Transmite
directamente los esfuerzos al suelo en una forma minimizada, es
auto-resistente, y la cantidad de concreto debe ser controlada.
Características
Los pavimentos rígidos se caracterizan por tener una larga
vida útil y puedes ser diseñada para todo tipo de tráfico y uso,
como avenida, aeropuerto y otros usos. De igual modo esta tienes
numerosas ventajas sobre los pavimentos flexibles.
Elementos Del Pavimentos Rígidos
La Subrasante:
Es la capa del terreno de una carretera que soporta la
estructura de pavimento. Se extiende hasta una profundidad que no
afecte la carga que corresponde al tránsito previsto. Esta puede
estar formada en corte o relleno y una vez compactada debe tener
las secciones transversales y pendientes especificadas en los
planos finales de diseño.
El espesor del pavimento dependerá, en buena parte, de la
calidad de la subrasante, por lo que es recomendable que sea
resistente, incompresible e inmune a cambios por humedad. Son
ideales los materiales granulares, con porcentajes de hinchamiento
que cumplan con la AASHTO T 193. Durante la construcción, un
espesor equivalente a la subrasante deberá escarificarse,
homogenizarse, mezclarse, conformarse y compactarse totalmente,
hasta alcanzar la densidad máxima definida en la AASHTO T180.
La Subbase :
Se encarga de soportar y distribuir uniformemente las cargas
aplicadas en la rodadura de pavimento. Debe por lo tanto ser capaz
de controlar los cambios de volumen y elasticidad, que puedan
dañar el pavimento. Sirve como capa de drenaje y controla la
ascensión capilar, lo que protege la estructura de pavimento. En su
construcción se recomienda el empleo de materiales granulares. En
los pavimentos flexibles esta capa sirve como material de
transición.
El material de la subbase debe tener un CBR mayor que el de
la subrasante y su espesor puede variar por tramos, de acuerdo con
la calidad de la subrasante. Para su construcción se verificará que
los materiales cumplan con la AASHTO T-193sobre una muestra
saturada según AASHTO T180, sin bloques mayores que 2/3 del
espesor de la capa, verificando el IP según AASHTO T-90 y límites
según AASHTO T89, además de estar libre de impurezas. Se colocan
en capas de 20 cm máximo, homogenizadas, conformadas y
compactadas, hasta alcanzar su máxima densidad.
Superficie de rodadura:
Es la capa superior de la estructura de pavimento, construida
con concreto hidráulico, por lo que debido a su rigidez y alto módulo
de elasticidad, basan su capacidad portante en la losa, más que en
la capacidad de la subrasante, dado que no usan capa de base.
En general, se puede indicar que el concreto hidráulico
distribuye mejor las cargas hacia la estructura de pavimento.
Uso Del Pavimento Rígido
El uso de los pavimentos rígidos se remonta a más de 100
años. George Bartholomew, un norteamericano de Ohio, realizó las
primeras pruebas en una faja experimental de 2.44 metros de
ancho. Este descubrimiento dio inicio al proyecto de obras públicas
más grande en la historia de la humanidad: el sistema de carreteras
inter-estatal de los Estados Unidos de Norteamérica, con
aproximadamente 27.500 Km de longitud.
El pavimento rígido puede ser diseñado para calles, avenidas,
carreteras y aeropuertos, para cualquier nivel de tráfico y
prácticamente sobre cualquier tipo de suelo, con tal de que la sub-
rasante sea razonablemente uniforme.
Ventajas y Desventajas
Ventajas:
El mantenimiento que requiere es mínimo y solo se efectúa
(comúnmente) en las juntas de las losas.
Al realizar la pavimentación con cimbras deslizantes la principal
ventaja es el hecho de que una máquina, bajo el control de un
solo operador reemplaza los diversos elementos que forman el
acomodo de la maquinaria de pavimentación convencional.
La sobre carpeta de concreto proporciona ventajas a largo plazo
para los usuarios de caminos y para los organismos encargados
de carreteras debido a que la superficie de concreto reduce
drásticamente el tiempo y los retrasos, que generalmente
acompañan al mantenimiento constante de una superficie de
asfalto.
Una superficie de concreto es durable, resistente y requiere
mucho menos tiempo de mantenimiento y dinero.
Las sobre carpetas de concreto son particularmente efectivas, en
proyectos donde las restricciones en el presupuesto anual y altos
niveles de tráfico, hacen que las interrupciones frecuentes en la
circulación y los costos de mantenimiento sean intolerables.
También se puede colocar una sobre carpeta de concreto para
aumentar la seguridad de una superficie de concreto.
Las cargas pesadas no forman roderas ni dislocamientos en el
concreto, el cual conserva una alta resistencia antiderrapante.
Las sobre carpetas de concreto no desarrollan las fallas típicas
presentes en los reencarpetados de asfalto.
El concreto puede cubrir uniformemente las roderas en el asfalto
y corregir el perfil de la superficie.
Debido a la capacidad que tiene la losa de concreto para
puentear los problemas subyacentes, no ocurrirá la reflexión que
se presenta en las sobre carpetas de asfalto.
También se han usado sobre carpetas de concreto sobre
pavimentos de asfalto existentes, como una alternativa a la
"construcción por etapas" de pavimentos flexibles.
Los análisis de los costos de rehabilitación y mantenimiento a
largo plazo correspondientes a la "construcción por etapas",
representa la solución más duradera de bajo riesgos.
Una sobre carpeta de concreto permite que la construcción se
haga directamente sobre la superficie flexible existente, sin
tener que eliminar o reparar la sub-base o la subrasante en toda
la extensión del proyecto. El espesor gradual para ligarse a un
puente o a estructuras en línea se logra rebajando con fresadora
el asfalto existente hasta obtener la pendiente adecuada.
La colocación de una sobre carpeta de concreto directamente
sobre un pavimento de asfalto, también puede ahorrar costos de
construcción cuando hay mal tiempo. Después de una lluvia
fuerte, la construcción de nuevos pavimentos se puede retrasar
varios días, mientras la subrasante se seca hasta alcanzar una
condición adecuada. Con la sobre carpeta de concreto el
contratista usa una barredora mecánica, para eliminar el agua
en exceso acumulada en las roderas dejadas por las ruedas. Por
lo tanto, en muchos casos la construcción de pavimentos de
concreto sobre el asfalto se puede reanudar inmediatamente
después de que deja de llover.
Su período de vida varía entre 20 y 40 años
Desventajas:
Tiene un costo inicial mucho más elevado que el pavimento
flexible.
Se debe tener cuidado en el diseño.
Diferencias de los pavimentos rígidos y flexibles
La diferencia entre estos tipos de pavimentos es la resistencia
que presentan por flexión. Esto quiere decir que por ejemplo el
concreto rígido va a soportar con mayor facilidad el peso vehicular,
ya que estos se diseñan para que tengan un largo periodo de vida
útil.
Los pavimentos rígidos están hechos con concreto hidráulico,
generalmente se cuelan en losas y se refuerzan con varillas de
acero. Los pavimentos flexibles están hechos de compuestos
asfálticos mezclados con agregados pétreos
El comportamiento del pavimento frente a las cargas es
diferente de acuerdo a si el pavimento es flexible o rígido, siendo su
principal diferencia cómo cada uno de ellos transmite las cargas a
la subrasante.
En un pavimento rígido, debido a la consistencia de la
superficie de rodadura, o sea, la alta rigidez de la losa de concreto
le permite mantenerse como una placa y distribuir las cargas sobre
un área mayor de la subrasante, transmitiendo presiones muy bajas
a las capas inferiores.
Por sí misma, la losa proporciona la mayor parte de la capacidad
estructural del pavimento rígido.
Lo contrario sucede en un pavimento flexible, construido con
materiales débiles y menos rígidos (que el concreto), más
deformables, que transmiten a la subrasante las cargas de manera
más concentrada. La superficie de rodadura al tener menos rigidez,
se deforma más y se producen mayores tensiones en la subrasante.
Por todo lo antes mencionado, el pavimento flexible
normalmente requiere más capas y mayores espesores para resistir
la transmisión de cargas a la subrasante.
Los bajos niveles de esfuerzo bajo el pavimento, hacen
innecesario contar con materiales de cimentación resistentes,
inclusive hace posible la colocación de la losa directamente sobre la
subrasante cuando la calidad de tipo de suelo lo permite.
Es de vital importancia que el terreno de apoyo para el
pavimento sea uniforme, sin cambios bruscos en su capacidad de
soporte.
En la rehabilitación de pavimentos, tanto rígidos como
flexibles, existen casos puntuales en que se está comenzando a
emplear sobre carpetas de concreto hidráulico que además de
restituir la capacidad de las vialidades y carreteras, mejoran su
seguridad y confort.
Método de Diseño.
El diseño del pavimento rígido involucra el análisis de diversos
factores: tráfico, drenaje, clima, características de los suelos,
capacidad de transferencia de carga, nivel de serviciabilidad
deseado, y el grado de confiabilidad al que se desea efectuar el
diseño acorde con el grado de importancia de la carretera. Todos
estos factores son necesarios para predecir un comportamiento
confiable de la estructura del pavimento y evitar que el daño del
pavimento alcance el nivel de colapso durante su vida en servicio.
La metodología que se utiliza para el diseño del pavimento
rígido es la PCA, la cual considera dos criterios de evaluación en el
proceso de diseño:
Criterio de erosión de la subbase: Se basa en el análisis de falla del
pavimento por bombeo excesivo, erosión del suelo de soporte y
diferencia en elevaciones de las juntas.
Fatiga del pavimento de concreto: El pavimento puede fallar por
excesivas repeticiones de carga.
El procedimiento de diseño de la PCA está basado en
información obtenida de diferentes fuentes, incluyendo
investigaciones, desarrollos teóricos, ensayos de pavimentos a
escala real, y el monitoreo de la performance de pavimentos en
servicio. Un programa de investigación llevado a cabo por la
Portland Cement Association correlacionó la información de diseño
de estas fuentes obteniendo como resultado un procedimiento
desarrollado únicamente para pavimentos suelo cemento.
Método AASHTO
El método se basa en los resultados experimentales obtenidos
vía tramos de prueba en Ottawa. El objetivo principal fue obtener
relaciones y correlaciones confiables entre el comportamiento de
pavimentos diseñados con los mismos criterios, apoyados en suelos
similares y transito igual. Las superficies construidas fueron:
Carpetas asfálticas.
Losas de concreto hidráulico sin refuerzo.
Losas de concreto reforzado de manera continua. Con base a
esto, se propuso la ecuación de diseño para pavimento rígido, la
cual ha sido modificada desde 1960 según propiedades del
concreto, las condiciones de apoyo y el ambiente. En caso de los
pavimentos flexibles se obtuvo una ecuación equivalente. Las
condiciones de diseño de este método son las siguientes:
Comportamiento del pavimento:
Funcional.
Estructural.
Seguridad.
A partir de los tramos de prueba, se introdujo el concepto de
servicialibidad y comportamiento con calificación de 1-5 que se le
asigne por consenso al usuario, con esto el índice de servicio (IS)
puede establecerse con textura, rugosidad, fisuramiento y/o
agrietamiento de la superficie de rodamiento.
El índice de servicio inicial (condición original de pavimento)
corresponde a un Índice Presente de Servicio (IPS) mayor a 4.2 y
4.5 para pavimento flexible y rígido respectivamente. El Índice de
Servicio Final o de rechazo es aquel en el que existen muchas
quejas del usuario y no cubre los parámetros de diseño (2 a 2.5)
siendo el ultimo el más recomendado para pavimentos flexibles.
Los parámetros con que se diseñe para cada caso deben ser
ajustados para cada región en particular.
CONCLUSIÓN
