TRABAJO DE MONOGRAFÍA, ANÁLISIS Y DISEÑO DEL …

TRABAJO DE MONOGRAFÍA, ANÁLISIS Y DISEÑO DEL PAVIMENTO FLEXIBLE POR MEDIO DEL MÉTODO DE LA AASHTO-93

CRISTIAN ALEXANDER GUERRERO MARTINEZ

UNIVERSIDAD SANTO TOMAS DIVISION ARQUITECTURA E INGENIERIAS

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL TUNJA

2020

TRABAJO DE MONOGRAFIA, ANÁLISIS Y DISEÑO DEL PAVIMENTO FLEXIBLE POR MEDIO DEL MÉTODO DE LA AASHTO-93

CRISTIAN ALEXANDER GUERRERO MARTINEZ

TRABAJO DE GRADO BAJO LA MODALIDAD DE MONOGRAFÍA

PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

DIRECTOR: ING. RAFAEL MOJICA BARRERA

UNIVERSIDAD SANTO TOMAS DIVISION DE ARQUITECTURA E INGENIERIAS

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL TUNJA

2020

AGRADECIMIENTOS

A Dios primero que todo agradecerle por darme la esperanza de poder tener fortaleza de llegar a mi meta de culminar mis estudios y ser un orgullo para mi familia Le agradezco a mi Padre Gerardo Guerrero González por darme su apoyo incondicional y ser un ejemplo de fuerza para salir a delante Le agradezco a mi Madre María Isabel Martínez Rojas por ayudarme con mis estudios, ser ese apoyo de todos los días por ser alguien en la vida, por estar en cada paso que daba cada día. A la Universidad Santo Tomas agradecerle por tener la dicha de ser parte de esta institución y a los docentes los cuales tuve el privilegio de que me brindaran su conocimiento para enriquecerme en sabiduría y sobre todo como persona. Para el Ingeniero Rafael Mojica Barrera, quien fue mi tutor y guía en este proceso, de ante mano quiero agradecerle por todo su apoyo, los buenos consejos. El aporte de sus grandes conocimientos, experiencia y recomendaciones los cuales me ayudaron a culminar con gran éxito mi proceso en la Monografía.

DEDICATORIA

Primero que todo le dedico este triunfo a mi Familia, por cada instante en su vida, por cada consejo brindado en el transcurso de mi carrera, los cuales son de vital importancia para mí para poderme formar como persona y como profesional. A mis padre y hermanos dedicarles este triunfo por darme la oportunidad para salir adelante, brindándome su apoyo incondicional, por los buenos consejos que me aportaron en los momentos de mayor dificultad y sin el apoyo de ellos el objetivo de poder culminar mis estudios no hubiese sido posible.

Nota de aceptación

____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________

_________________________________________________ Firma del director del proyecto

Ing. Rafael Mojica Barrera

_________________________________________________ Firma del Jurado 1

__________________________________________________ Firma del Jurado 2

Tunja, 01 de septiembre de 2020

INDICE DE CONTENIDO

Pág.

1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 11

2. OBJETIVOS............................................................................................................................ 12

2.1 OBJETIVO GENERAL: ........................................................................................................... 12

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ............................................................................................... 12

3 MARCO TEÓRICO .................................................................................................................. 13

3.1 RESEÑA HISTORICA DEL METODO AASHTO.93............................................................... 13

3.2 ANTECEDENTES ............................................................................................................ 16

4 DISEÑO MÉTODO AASHTO.................................................................................................... 18

5. VARIABLES DE DISEÑO METODO AASHTO ............................................................................. 20

5.1 TRÁNSITO ..................................................................................................................... 20

5.2 SERVICIABILIDAD .......................................................................................................... 28

5.3 CONFIABILIDAD .................................................................................................................. 30

5.4 DESVIACION ESTANDAR DEL SISTEMA (So) .................................................................... 31

5.5 MÓDULO RESILIENTE EFECTIVO MR. ............................................................................. 32

5.6 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES DEL PAVIMENTO .............................................. 33

5.7 COEFICIENTE ESTRUCTURAL (a1) ................................................................................... 38

5.8 DRENAJE ....................................................................................................................... 38

6 APLICACIÓN DE DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE POR EL METODO AASHTO-93 .................. 39

7 APLICACIÓN DE DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE POR EL METODO AASHTO-93 MEDIANTE EL SOFTWARE AASHTO-93 ................................................................................................................ 45

8 MÉTODO DE SHELL ............................................................................................................... 51

9. COMPARACIÓN CON EL MÉTODO AASHTO-93, CON EL MÉTODO DE SHELL .......................... 62

10. APORTES DEL TRABAJO......................................................................................................... 64

10.1 APORTES COGNITIVOS ...................................................................................................... 64

10.2 APORTES A LA COMUNIDAD ............................................................................................. 64

11. IMPACTOS DEL TRABAJO DESEMPEÑADO ............................................................................. 65

12. CONCLUSIONES .................................................................................................................... 66

13. RECOMENDACIONES ............................................................................................................ 66

14. GLOSARIO ............................................................................................................................ 67

15. BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................................... 70

INDICE DE TABLAS

Pag.

Tabla 1 Máximo peso por eje para los vehículos de transporte de carga ............................ 23

Tabla 2 Factor de distribución por carril .................................................................................. 27

Tabla 3 Índice de Serviciabilidad en función de calidad de la vía......................................... 29

Tabla 4 Niveles de confiabilidad seguros ................................................................................ 30

Tabla 5 Determinación de la desviación estándar normal ZR............................................... 31

Tabla 6 Espesores mínimos (in) ............................................................................................. 38

Tabla 7 Valores recomendados de coeficientes de drenaje (m1)......................................... 38

Tabla 8 Datos calculados relacionados con cada capa ......................................................... 50

Tabla 9 Temperatura................................................................................................................. 55

Tabla 10 Espesores .................................................................................................................. 62

INDICE DE FIGURAS Pag

Figura 1 Localización general de la Ciudad ................................. Error! Bookmark not defined.

Figura 2 Ubicación del Experimento Vial de la AASHO sobre la futura autopista

interurbana I-80, de la red Interestatal de los Estados Unidos ............................................. 14

Figura 3 Vehículos de transporte de carga más comunes en el país ................................. 22

Figura 4 Esquematización de los diferentes tipos de ejes y de su carga máxima .............. 22

Figura 5 Carga máxima admisible por vehículo ..................................................................... 25

Figura 6 Coeficiente estructural de la carpeta asfáltica (a1) ................................................ 35

Figura 7 Coeficiente estructural (a2) para Mr de la base ..................................................... 36

Figura 8 Coeficiente estructural (a3) para Mr de la Sub-base .............................................. 37

Figura 9 Interfaz software Ecuación AASHTO-93 .................................................................. 45

Figura 10 Ecuación AASHTO, pavimento flexible .................................................................. 46

Figura 11 Ecuación AASHTO, R=90% ................................................................................... 46

Figura 12 Ecuación AASHTO, So= 0.45, psi inicial=4.0, psi final=2.5 y W18= 8000000 .. 47

Figura 13 Calculo del SN1 para la carpeta asfáltica .............................................................. 48

Figura 14 Cálculo del SN2 para la base granular .................................................................. 48

Figura 15 Cálculo del SN3 para la sub-base granular ........................................................... 49

Figura 16 Cálculo del SN para la Subrasante granular ......................................................... 49

Figura 17 Capas que conforman un pavimento flexible......................................................... 50

Figura 18 Curva de ponderación de Temperatura ................................................................. 52

Figura 19 Registro de temperaturas correspondientes a cada mes del año. ...................... 53

Figura 20 : Relaciones entre la rigidez de la mezcla y la rigidez del asfalto........................ 57

Figura 21 : Nomograma de fatiga basado en Smix y Vb ....................................................... 58

Figura 22 Grafica HN49 ........................................................................................................... 59

RESUMEN

El presente documento se realiza con el objetivo de dar informe acerca de la

monografía titulada “Análisis y diseño del pavimento flexible mediante el método

AASHTO”. En este informe se presenta el diseño en el cual se hace la descripción

de los elementos usados en cada una de las variables contempladas así mismo, se

presenta el paso a paso del diseño del pavimento flexible con los elementos que

éste requiere basándonos en la explicación del software pertinente AASHTO 93. La

elección del método se debe a que, si se compara con otros métodos de infinitas

soluciones, junto con el método Shell dado que permite la introducción de nuevos

materiales bajo la acción de las cargas de transito

Este introduce el concepto de serviciabilidad en el diseño de pavimentos como una

medida de su capacidad para brindar una superficie suave y satisfactoria. Esta

herramienta tiene como principal el volumen de tráfico, el nivel de servicio, el

desempeño de la vía, la fatiga con el fin de ejecutar de manera rápida y precisa los

diferentes cálculos numéricos para la obtención de números estructurales, así como

la verificación de los mismos. Los datos encontrados en el documento son datos

obtenidos con el fin de hacer los cálculos correspondientes para poder generar un

estudio en el diseño del pavimento flexible.

Palabras claves: Diseño, pavimentos, pavimentos flexibles, Método Shell,

Variables AASHTO 93, Transito, AASHTO 93 (software)

ABSTRACT

This document is made with the objective of providing information on the monograph

entitled "Analysis and design of flexible pavement using the AASHTO method". This

report presents the design in which the description of the elements used in each of

the variables considered is made, the step-by-step design of the flexible pavement

is presented with the elements that it requires based on the explanation of the

pertinent software AASHTO 93. The choice of the method is due to the fact that, if

compared with other methods of infinite solutions, together with the Shell method

since it allows the introduction of new materials under the action of traffic loads

It introduces the concept of serviceability in flooring design as a measure of its ability

to provide a smooth and satisfactory surface. This tool has as main the traffic volume,

the level of service, the performance of the road, the fatigue in order to quickly and

accurately execute the different numerical calculations to obtain structural numbers,

as well as the verification of the themselves. The data found in the document are

data obtained in order to make the corresponding calculations in order to generate

a study on the design of the flexible pavement.

Keywords: Design, pavements, flexible pavements, Shell method, AASHTO 93

variables, transit, AASHTO 93 (software)

11

1. INTRODUCCIÓN

La construcción de vías presenta un mejoramiento en la calidad de vida de los

habitantes y facilitando el desplazamiento de la población hacia otros territorios. No

obstante empresas del sector público y privado se encargan de la rehabilitación y

mejoramiento de la malla vial implementando nuevas tecnologías que mantengan a

la vanguardia las carreteras, haciéndolas eficientes y con mayor vida útil. En

consecuencia, se realizó el diseño de un pavimento flexible hallando los espesores

mínimos de capa por medio del método de la AASHTO-93.

El propósito de este análisis se traduce en diseñar pavimentos para la construcción

de vías que puedan tener menores costos en el mantenimiento, para una mayor

durabilidad y seguridad vial. De igual manera para lograr un diseño adecuado con

eficiencia, se requiere hacer estudios previos de tránsito, servicialidad, confiabilidad,

características de los materiales del pavimento y drenaje los cuales se desarrollan

en este documento. Con el método de la AASHTO-93 que sus siglas significan

(American Association of State Highway and Transportation Officials) se obtuvieron

resultados específicos en los espesores mínimos de base, sub base y carpeta

asfáltica, siendo necesarios para la toma de decisiones técnicas en variables como

el tráfico promedio diario (TPD), el módulo de resiliencia, (CBR), confiabilidad,

drenaje, entre otros factores.

En la presente monografía se tiene como objetivo mostrar el diseño de pavimento

flexible para un periodo de diseño de 10 años, permitiendo de esta forma calcular

los espesores de capa y el desarrollo del software necesarios para este análisis, de

igual importancia el método Shell tiene como prioridad de un sistema multicapa

linealmente elástico donde consiste en elegir los espesores de las capas asfálticas,

granulares y sus características de los materiales, el cual permite calcular los

esfuerzos y sus deformaciones que se puedan producir en cualquier punto de la

estructura.

12

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL:

Diseñar y calcular el comportamiento de una estructura de pavimento

flexible mediante el método de AASHTO 93 y el método Shell

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Recopilar y analizar información existente para el desarrollo del método.

Determinar y explicar todas las variables utilizadas en el método AASHTO

93 y de Shell

Cuáles son las ventajas y desventajas encontradas en el método del

pavimento flexible.

Aplicar los conocimientos adquiridos durante mi carrera en la Universidad

Santo Tomas.

13

3 MARCO TEÓRICO

3.1 RESEÑA HISTORICA DEL METODO AASHTO.93

Una de las características que conforman la ciencia del diseño de pavimentos se

relaciona con su "dinamismo", el cual puede ser definido como el continuo avance

en el grado de sus conocimientos. El desarrollo de los métodos de diseño de

pavimentos puede ser de una manera muy simplificada y en función de su nivel de

información

Entre los más conocidos está:

Experimento Vial de la AASHO (USA)

Ha sido, sin duda alguna, la prueba de carreteras más completa de todas las

ejecutadas a la fecha. De la información que en ella se obtuvo se siguen

produciendo beneficios, ya que los últimos métodos de diseño se fundamentan en

los datos de campo de esta prueba.

Fue inicialmente conceptuada como una prueba similar a la de la WASHO, pero el

Comité Asesor designado para su programación (1951) decide ampliar sus

objetivos. Desde mediados de 1951 hasta diciembre de 1954 se realizan todas las

etapas de planificación -desde la selección del sitio hasta el establecimiento de

objetivos- y en abril de 1955 se inician los trabajos de topografía en la localización

futura de la prueba, y la preparación de planos y especificaciones. En agosto de

1956, cerca de Ottawa, en el Estado de Illinois, comienza la construcción de las

facilidades del proyecto, y en octubre del año 1958 se inicia la aplicación de las

cargas sobre los tramos del pavimento construido.

Dos años más tarde -en octubre de 1960- se concluye con la etapa de mediciones

en campo y se inicia el análisis de la información recogida a lo largo de la prueba.

A finales de 1962 prácticamente 11 años después de decidida la realización de la

prueba AASHO- se publican las primeras “Guías Provisionales para el Diseño de

Pavimentos”.

En el desarrollo de esta vía experimental trabajaron -entre profesionales, técnicos y

personal administrativo- más de 170 personas y 400 individuos de tropa encargados

de la operación de los camiones con los que se aplicaron las cargas.

El costo de la prueba (a valores de 1960) fue de aproximadamente 27,0 millones de

US$, distribuidos de la siguiente manera: 11,99 millones para la construcción de

pistas, 10,18 millones para operación e investigación, y 2,69 millones para los

14

gastos de personal técnico y de tropa; el resto del monto se dedicó a administración,

construcción de barracas, oficinas y laboratorios.

Figura 1 Ubicación del Experimento Vial de la AASHO sobre la futura autopista interurbana I-80, de la red Interestatal de los Estados Unidos

Se construyeron seis (6) circuitos, identificados del 1 al 6. El número 1 se destinó a

medir el efecto del clima y algunas cargas estáticas; el Nº 2 se sometió a cargas

livianas, y los Nº 3, 4, 5 y 6 se sometieron a diversas cargas pesadas. La Figura 2

muestra la planta típica de una de estos circuitos: la pista norte fue construida con

pavimento flexible y la sur con pavimento rígido.

Cada una de las tangentes del circuito, con una longitud aproximada a los 2.070 ml,

se dividió en sectores de 30 ml de largo. Cada uno de ellos conformaban las

“secciones de prueba”, y en cada canal de una sección, a su vez, se aplicaban

cargas diferentes.

Los objetivos básicos planteados para el desarrollo de esta prueba vial fueron:

a. Determinar las relaciones significativas entre el número de repeticiones de cargas

por ejes de diferentes magnitudes y configuraciones, y el comportamiento de

diferentes secciones de pavimentos -flexibles y rígidos- construidos sobre una

misma fundación, pero sobre capas de sub-bases y bases de diversos tipos y

espesores.

b. Determinar los efectos significativos de diferentes cargas por eje, y cargas totales,

sobre los elementos estructurales de puentes de características conocidas.

15

Figura 1 Características de las secciones de prueba en los circuitos

c. Realizar estudios especiales referentes a hombrillos pavimentados, tipos de

bases, fatiga en pavimentos, tamaño y presión de inflado de los cauchos, vehículos

militares especiales, y correlacionar estos resultados con los obtenidos en la

investigación básica.

d. Obtener un registro de los recursos y materiales requeridos para mantener las

secciones de prueba en condiciones de ser ensayadas.

e. Desarrollar instrumentación, procedimientos de ensayo y laboratorio, datos,

gráficos, tablas y fórmulas que reflejarán las características de las diferentes

secciones de prueba y que pudieran ser útiles posteriormente en la evaluación de

las condiciones estructurales de un pavimento existente.

f. Determinar áreas que requiriesen estudios posteriores.1

1 Corredor, Gustavo; Experimento Vial de la AASHO y las Guías de Diseño AASHTO, 2008,20p

16

3.2 ANTECEDENTES

El pavimento a lo largo de la historia ha traído consigo nuevas invenciones en la ingeniería de carreteras y en los métodos para su diseño; En el continente americano en el año 1870, el químico Belga Edmund. J. Desmedt, produjo el primer pavimento asfáltico en New Jersey, Estados Unidos. En el año 1885, Valentín José Boussinesq formuló las ecuaciones para el cálculo de esfuerzos y deformaciones inducidos por la acción del tránsito en un pavimento flexible, partiendo del estudio del equilibrio y movimiento de los sólidos elásticos. La solución de Boussinesq determina el incremento de esfuerzos como resultado de la aplicación de una carga puntual sobre la superficie de un semi-espacio infinitamente grande; considerando que el punto en el que se desea hallar los esfuerzos se encuentra en un medio homogéneo, elástico e isotrópico.2 Para la década de 1900, Frederick J. Warren patentó las primeras mezclas asfálticas en caliente para pavimentación, denominadas Warrenite-Bitulithic, una mezcla típica contenía aproximadamente el 6 por ciento de cemento bituminoso, con proporción de vacíos de aire bajas. La invención del pavimento trajo consigo mejoras en la calidad de vida de la población, por tanto, desde el año 1920 se iniciaron una serie de ensayos basados en el Road Test Bates a fin de conocer el comportamiento del material en condiciones reales vs el deterioro. Para el año 1950 se realiza el Road Test Maryland el cual consistió en estudiar el efecto de 2 configuraciones de ejes, cada una con 2 cargas diferentes, sobre el comportamiento de pavimentos de concreto hidráulico.3 En el 1954 se realizó el Road Test WASHO (Idaho) siendo un ensayo a escala natural del comportamiento de los pavimentos bajo los efectos del tráfico de los Estados Unidos. Finalmente el método de diseño AASHTO, fue creado en Estados Unidos en el año de 1960, basado en un ensayo denominado “AASHO Road Test” el cual consistió en desarrollar un método empírico para pavimentos flexibles y rígidos, realizado bajo una escala real durante el periodo de 2 años en el estado de Illinois, desarrollando tablas, gráficos y fórmulas las cuales representaron las relaciones entre deterioro- solicitación de las secciones ensayadas; posteriormente entre los años 1986 y 1993 el método comenzó a introducir conceptos mecanicistas con la finalidad de mejorar las condiciones y parámetros que se tenían en el ensayo original. Por tal motivo el método AASHTO introdujo el concepto de servicialidad en

2 AMAYA, Omar. Diseño de la estructura de un pavimento flexible aplicando el método Aashto-93. Bogotá D.C, 2019.44p.

17

el diseño de pavimento como una medida de su capacidad para brindar una superficie lisa y suave al usuario.4 En Colombia el método de la AASHTO ha sido utilizado en varios proyectos viales dentro de los que se encuentra el diseño del pavimento de la vía que comunica la vereda Llanos del Combeima con Ibagué y con el totumo, donde se construyó el pavimento flexible proponiendo la utilización de asfaltito o asfalto natural como capa de rodadura comprendido entre el K2+000 al K4+000 localizado en el departamento del Tolima, con una longitud total de 2 km.5 Otro de los proyectos con mayor relevancia donde se aplicó el método, con el ánimo de garantizar el desplazamiento efectivo de los usuarios hacia sus lugares de destino fue en Bogotá; por tanto se realizó el diseño de un pavimento flexible para la ampliación del costado occidental de la Autopista Norte desde la Calle 245 (El Buda) y el sector conocido como la Caro, mediante la implementación del Método AASHTO-93, partiendo de información secundaria existente, como los son estudios de tránsito, información geotecnia, ensayos correspondientes e identificación de secciones transversales propuestas en diseños geométricos.6 En países como México se utilizan métodos propuestos por el Instituto de Ingeniería de la UNAM, el del Catálogo Técnico de uso en España, el propuesto por el Instituto Norteamericano del Asfalto y el método de la AASHTO. Sin embargo, dicho país ha venido evolucionando a las nuevas aplicaciones que existen para los pavimentos flexibles siendo de gran importancia ya que han tenido en toda la historia desde su concepción hasta la actualidad la conformación de vías, despertando el interés general de muchos investigadores en el tema de pavimentos flexibles y

4 JAÑA, Cristian, Implementación de la guía de diseño mecanístico - empírico AASHTO 2008 en la región Piura, septiembre 2016, 168p 5 MONTEALEGRE, William, AUGUSTO, Cesar; Diseño de un pavimento flexible por el método AASHTO utilizando como capa de rodadura un asfalto natural y chequearlo por el método racional, Universidad cooperativa de Colombia, Ibagué, Colombia, 2019.54p 6 Suarez, Javier, Diseño de la Estructura de un pavimento flexible por medio de la implementación del método aastho-93, para la ampliación del costado occidental de la autopista norte desde la calle 245 (el buda) hasta la caro, Universidad Militar Nueva Granada,2017,46p.

18

promoviendo la aplicación de tecnologías que sean realmente aplicables en México y latino América implementándose con el apoyo del gobierno y particulares.7 En general, los métodos de diseño utilizados para dimensionar las estructuras de pavimento flexibles se pueden dividir en dos grandes grupos a saber, métodos empíricos y métodos mecanicistas. Entiéndase a los métodos empíricos como aquellos basados en experiencias, correlacionando el comportamiento de los pavimentos in situ, a través de observaciones y mediciones de campo, junto con los factores que generan deterioro y degradación en las estructuras de pavimento; caso diferente en los métodos mecanicistas o racionales, donde tienen en cuenta los estados de esfuerzo y deformación que experimentan las capas que componen la estructura y cómo influyen en el comportamiento del mismo8

4 DISEÑO MÉTODO AASHTO

En el método AASHTO-93 para el diseño de pavimentos flexibles se identifica el número estructural (SN), el cual es fundamental para la implementación de los espesores de las capas las cuales conforman el pavimento como lo son la capa asfáltica, la capa de la base y la capa de la sub-base. Para esto podemos emplear un modelo o ecuación a través de esta se obtiene los parámetros de diseño, esta ecuación se basa en una función de variables las cuales son tránsito, la desviación estándar, la confiabilidad, el índice de Serviciabilidad entre otras.9 Podemos presentar la ecuación indicando el significado de cada variable, parámetro involucrado.

log(𝑊18) = 𝑍𝑅 ∗ 𝑆𝑜 + 9,36 ∗ log(𝑆𝑁 + 1) − 0,20 +𝐿𝑜𝑔 (

∆𝑃𝑆𝐼4,2 − 1,5)

0,40 +1094

(𝑆𝑁 + 1)5,19

+ 2,32

∗ log(𝑀𝑅) − 8,07 (1) Donde:

7 POLITO, Gerardo, Evolución, tecnologías aplicadas en la actualidad y el futuro de los pavimentos flexibles en México, Universidad Nacional Autónoma Mexica, 2015,193p. 8 AMAYA, Omar. Diseño de la estructura de un pavimento flexible aplicando el método Aashto-93. Bogotá D.C, 2019.44p. 9 FONSECA, Alfonso, Ingeniería de pavimentos para carreteras, Universidad católica de Colombia, Ágora Editores, 2002.

19

W18 = Numero de cargas de (80 KN)

Zr = Es el valor de Z bajo la curva de distribución correspondiente a la curva estandarizada por una confiabilidad R

So = Desvió estándar de todas las variables

ΔSPI = Perdida de Serviciabilidad prevista en el diseño

MR = módulo resiliente de la Subrasante

SN = Numero estructural10 Número estructural (SN) De la ecuación (1) podemos obtener el valor del número estructural (SN), para así poder determinar una variable de capas donde los espesores (D1), puedan superar el número estructural calculado (SN), Al continuar con el módulo resiliente de la Subrasante en la ecuación (2), con función del coeficiente estructural (a1), este se basa en la correlación empírica del número estructural (SN) y a su vez el espesor de la capa (D1), se le define como la capacidad del material para la componente estructural del pavimento.

𝑆𝑁 = 𝑎1 ∗ 𝐷1 + 𝑎2 ∗ 𝑚2 ∗ 𝐷2 + 𝑎3 ∗ 𝑚3 ∗ 𝐷3 (2) Donde:

a1: Coeficiente estructural de la capa i.

D1: Espesor de la capa i en pulgadas.

M1: Coeficiente de drenaje de la capa i.

Se deben implementar los espesores de las diferentes capas siguiendo los siguientes criterios:

D1 ≥SN1

a1 (3)

SN1 = a1 ∗ D1 ≥ SN1 (4)

10 JAÑA, Cristian, Implementación de la guía de diseño mecanístico - empírico AASHTO 2008 en la región Piura, septiembre 2016, 168p

20

D2 ≥SN2 ∗ SN1

a2 ∗ m2 (5)

D3 ∗ a3 ∗ m3 + SN1 + SN2 ≥ SN3 (6)

5. VARIABLES DE DISEÑO METODO AASHTO

5.1 TRÁNSITO

En el método AASHTO la estructura del pavimento es de vital importancia el número de repeticiones de carga desde el inicio establecimiento de los espesores basado en este método, es indispensable la determinación de las cargas equivalentes a 80 KN o 8,2 Ton para el periodo de diseño a implementar, donde se debe hacer un estudio detallado de transito el cual tiene que presentar la composición vehicular, transito promedio anual, el factor camión, el transito acumulado en el número de ejes. Para cualquier situación en el diseño de la estructura del pavimento a lo que requiere el ESAL, la conversión se debe a sus factores son equivalentes de carga.11 La determinación de la variable de transito se entiende con los diferentes análisis de los registros sobre los pesajes sobre las vías que se van a pavimentar, que permitan realizar una proyección para el comportamiento de los pavimentos flexibles teniendo en cuanta el ancho y el tipo de la vía, el número y composición de los ejes se determina a partir de los siguientes parámetros.

Periodo de diseño

Distribución de ejes

Sentido del trafico Clasificación vehicular Para el seguimiento de los lineamientos regulativos de la clasificación del tipo de vehículos por el peso y ejes. Está expedido por el ministerio de transporte la cual dictamina la siguiente clasificación:

Tipo A: en esta categoría se clasifican los automóviles, camperos y microbuses según la clasificación del instituto nacional de vías INVIAS.

11 COSSI, Patricia, Diseño de pavimentos métodos AASHO- 93, 2014,30p.

21

Tipo B: en esta categoría se clasifican las busetas y los buses, según el INVIAS

son denominados con la letra B. Tipo C: en esta categoría son denominados con la letra C, están clasificados como vehículos de carga pesada los cuales se agrupan según la configuración de sus ejes de la siguiente manera:

Con el primer digito se clasifica el número de ejes de camión o del tracto-camión (cabezote)

La letra S, se clasifica el semirremolque y el digito indica el número de sus ejes.

La letea R, se clasifica el remolque y el digito y el digito indica el número de sus ejes.

La letra B, se clasifica el remolque balanceado y el digito indica el número de sus ejes.

Los diferentes vehículos transmiten al pavimento las cargas a través de las llantas, donde estas son establecidas en líneas de rotación llamadas ejes, donde podemos clasificarlos mediante los ejes simples, tándem, o tridem. Podemos especificar que cada eje se puede diferenciar por llantas sencillas, dobles o mixtas. Peso vehicular y peso por eje Los vehículos transmiten cargas al pavimento a través de las ruedas, donde registran la información sobre la carga máxima admisible para los vehículos más comunes en el país. En la siguiente figura indica la carga máxima para los ejes más frecuentes.

22

Figura 2 Vehículos de transporte de carga más comunes en el país

Fuente: Resolución 4100 de 204- Ministerio de Transporte, 2014.

Figura 3 Esquematización de los diferentes tipos de ejes y de su carga máxima


23

Tabla 1 Máximo peso por eje para los vehículos de transporte de carga


Volúmenes de transito Es el número de vehículos que pasan por un punto o sección transversal dados por el carril o de una calzada, mediante un periodo determinado, mediante las estadísticas del tráfico vehicular que son existentes para la recopilación por el sistema de administración de pavimentos (PMS), por parte del ministerio de transporte e infraestructura (MTI), mediante los aforos que están situados a lo largo de la vía. En las diferentes vías que integran se presenta los siguientes parámetros.

Determinación y volumen de transito sobre el estudio

Determinar el número de vehículos que transitan sobre la vía

Estimación del trafico

Clasificación de caminos

𝑄 =𝑁

𝑇

Donde:

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

N = número total de vehículos que pasan.

Tipo de eje Peso maximo por eje, Kg

Dos llantas 6,000

Cuatro llantas 11,000

Cuatro llantas 11,000

Seis llantas 17,000

Ocho llantas 22,000

Seis llantas 16,500

Ocho llantas 19,000

Diez llantas 21,500

Doce llantas 24,000

Eje Sencillo

Eje Tandem

Eje Tridem

24

T = periodo determinado (unidades de tiempo. Factor camión En los vehículos comerciales como camiones y buses estos tienen dos o más ejes a cada uno de sus ejes se le conoce como factor camión FC. Se le entiende a factor camión (FC), dado el número de las aplicaciones sobre los ejes sencillos con la carga equivalente de 8,2 Ton, para lo que es necesario que circulen por un pavimento para hacer el mismo daño que un camión con una carga cualquiera. Formas de realizar el factor camión:

Pesaje

Asumir el factor camión de una vía y de sus características similares.

Estimar el factor camión por el método empírico.

Se debe tener presente la ecuación de MOPT.

𝐹𝐶 =𝐴% ∗ 𝐹𝐸 + 𝐵% ∗ 𝐹𝐸

∑ 𝐴 + 𝐵%

Donde:

A: es el porcentaje de camiones de tipo C-2.

FE: factores de equivalencia dados realizados por el método MOPT

B: porcentaje de vehículos pesados que realizan en el carril de diseño. Número de ejes equivalentes

Los vehículos que transiten en las cargas de la estructura del pavimento mediante ruedas, las cuales se encuentran dispuestas en ejes, dado esto el peso se puede transmitir tanto los vehículos, mediante los diferentes ejes de carga.

Cálculos de número de ejes equivalentes

𝑁 = 365 ∗ 𝑇𝑃𝐷𝑂 ∗ 𝐹𝑇𝐴𝐺 ∗ 𝐹𝐶 ∗ 𝐹𝑐𝑎 ∗ 𝐹𝑒𝑞

Donde:

𝑇𝑃𝐷𝑂 = 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑡𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜

25

𝐹𝑒𝑞 = 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎

𝐹𝑐𝑎 = 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑟𝑟𝑖𝑙

𝐹𝑇𝐴𝐺 = 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑡𝑜 𝑎𝑡𝑟𝑎𝑖𝑑𝑜 𝑦 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 Factor de equivalencia El factor de equivalencia se determina con el daño proporcionado al pavimento mediante el procedimiento que existe entre el peso que ejerce el eje con una carga existente y el eje patrón. Esto es basado por el desarrollo de la información de la AASHO.

Figura 4 Carga máxima admisible por vehículo


Tránsito promedio diarios (TPD)

Se define el volumen de tránsito promedio diario (TPD), 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 período, se presentan los siguientes volúmenes de tránsito promedio diario, dado en vehículos por día: Tránsito promedio diario anual (TPDA)

26

𝑇𝑃𝐷𝐴 = 𝑇𝐴

365

Tránsito promedio diario mensual (TPDM):

𝑇𝑃𝐷𝑀 = 𝑇𝑀

30

Tránsito promedio diario semanal (TPDS)

𝑇𝑃𝐷𝑀 = 𝑇𝑆

7 12

Factor de tránsito y generado Es el volumen del tránsito que, sin cambiar su origen ni su destino, este puede ocupar la futura vía pavimentada como una ruta alternativa. Factor de crecimiento Teniendo en cuenta la variación del tránsito en el periodo del diseño considerado, para este se determina las cargas equivalentes acumuladas, para poder calcular el factor de crecimiento mediante la siguiente ecuación:

𝐹𝐶 =((1 + 𝑇𝐶)𝑛 − 1)

𝑇𝐶

𝐹𝐶 = ((1 + 𝑟)𝑛 − 1)

𝐼𝑛(1 + 𝑟)

Factor de distribución de carril En la mayoría de las carreteras se considera la distribución por el carril del 50%, en cuanto a los factores de distribución de flujo vehicular por carril todo recomendado por la guía AASHTO.93.

12 CAL, Rafael & CÁRDENAS, James. (2017). Ingeniería de Tránsito- Volúmenes de Tránsito.

México: Alfaomega.

27

Tabla 2 Factor de distribución por carril

Fuente: AASTHO-93

Factor sentido Se entiende por el TPD de la vía, el sentido realizados por la composición vehicular propia. Transito atraído

Según los parámetros como el ancho de la calzada y el transito atraído en vías locales debido a su rehabilitación, los rangos de tránsito de diseño los correspondientes a las categorías T1 y T2.

𝐸𝑆𝐴𝐿 = 𝐸𝑆𝐴𝐿𝑜 ∗ 365 ∗ 𝐷𝑑 ∗ 𝐷𝐼 ∗{(1 + 𝑟)𝑛 − 1}

𝑟

Donde:

ESALo: Repeticiones del eje de carga equivalente actual

Dd: factor de distribución direccional.

DI: factor de distribución de carril.

r: tasa de crecimiento anual.

n: periodo de diseño.

NUMERO DE

CARRILES DE CADA

DIRECCION

PORCENTAJES DE EJES

EQUIVALENTES DE 8,2

TONELADAS

1 100

2 80 - 100

3 60 - 80

4 50 - 75

28

Tráfico Es uno de los datos más importantes para implementar el diseño estructural, análisis de la estructura de pavimentos para esto se requiere la importancia de las cargas en el método de la aplicación del pavimento dado en las cargas que se aplican mediante el diseño de toda la vida, el procedimiento de la guía de diseño empírico mecanicista para los datos requeridos del diseño.

La velocidad de funcionamiento del vehículo (camión).

La dirección del tráfico y los factores de distribución del carril.

Los factores de distribución de la carga por eje.

Factores de crecimiento de camiones.

Año base para los cálculos del diseño.

Índice medio diario anual El IMDA representa el promedio aritmético del volumen diario de transito durante un año, según la forma diferenciada por cada tipo de vehículo los cuales se clasifican en:

Automóviles y camionetas.

Buses.

Camiones de dos ejes.

Camiones de más de dos ejes.

Remolques semirremolques.

5.2 SERVICIABILIDAD

La Serviciabilidad se define como la capacidad del pavimento de servir al tipo de trafico ya sea autos, camiones. Los cuales circulan en la vía en la medida de la escala del 0 al 5, donde 0 (cero) es la calificación para el pavimento intransitable y 5 (cinco) donde se define un pavimento excelente, sin embargo, la podemos definirla como los parámetros medibles como lo son el índice de perfil, índice de rugosidad internacional, coeficiente de fricción, distancias de frenado, visibilidad.

29

Tabla 3 Índice de Serviciabilidad en función de calidad de la vía

Fuente: AASTHO-93

Serviciabilidad inicial

Po= 4,2 para pavimentos flexibles.

Po= 4,5 para pavimentos rígidos. Serviciabilidad final

Pt= 2,5 o más para caminos principales.

Pt= 2,0 para caminos de transito menor.13 Índice de servicio inicial Es el valor de servicio de un pavimento construido, se toman valores cercanos a 4,2 para pavimentos flexibles. Índice de servicio terminal

Es el valor mínimo el cual puede ser aceptado para dicho pavimento dado los valores cercanos que están entre 1,5 para las vías que son consideradas de baja importancia y de 2,5 a 3,0 para vías arterias.

13 Ministerio de Transporte e Infraestructura Manual para la Revisión de Estudios y

Diseños de Pavimentos, Nicaragua, 2008.194p

INDICE DE

SERVICIOCALIFICACION

5 EXCELENTE

4 MUY BUENO

3 BUENO

2 REGULAR

1 MALO

0 INTRANSITABLE

30

Pérdida del índice de Serviciabilidad Basado en los datos anteriores podemos deducir que la disminución del índice de servicio, donde este representa una pérdida importante como la calidad de servicio de la carretera, la cual se originada por el deterioro del pavimento y donde se refiere a la siguiente ecuación:

∆𝑃𝑆𝐼 = 𝑝𝑜 − 𝑝𝑡 Donde:

PSI: índice de servicio presente.

ΔPSI: Diferencia entre los índices de servicio inicial y el final deseado.

po: índice de servicio inicial.

pt: índice de servicio final.

5.3 CONFIABILIDAD

La confiabilidad es cuando nos indica el nivel apropiado de probabilidad que tiene una estructura de pavimento donde está diseñada para durar a través de un respectivo análisis, el diseño tomas en cuenta las variables de trafico previstas, así como variaciones en el modelo del comportamiento de la AASHTO, obteniendo un nivel de confiabilidad de (R) para que el pavimento tenga las condiciones de diseño.14 (QUIROGA, Stefhany, 2014) De acuerdo a los parámetros establecidos en la AASHTO, esta toma un valor de perímetro según la importancia de la vía.

Tabla 4 Niveles de confiabilidad seguros

Fuente: Tabla 2,2 AASHTO 1993

14 MENENDEZ, Rafael, PALMA, José; Método para el Cálculo de la Desviación Estándar total para el diseño de pavimentos flexibles en el método del MTC y AASHTO 93,2014.10p.

URBANO RURAL

autopistas interestatales 85 - 99,9 80 - 99,9

arterias colectoras 80 - 99 75 - 95

colectoras de transito 80 - 95 75 - 95

carreteras locales 50 - 80 50 - 80

CALIFICACION

NIVEL DE CONFIABILIDAD

RECOMENDADO

31

Tabla 5 Determinación de la desviación estándar normal ZR

Fuente: tabla 4.1 AASHTO 1993

5.4 DESVIACION ESTANDAR DEL SISTEMA (So)

Se determina la desviación estándar como total o combinada, está representada por el error presentado por el tráfico y el error asociado a la predicción del comportamiento del pavimento la podemos expresar mediante la siguiente ecuación:

𝑆02 = 𝑆𝑊𝑇

2 + 𝑆𝑊𝑡

2

𝑆0 = √𝑉[𝑙𝑜𝑔𝑊𝑇] + 𝑉[𝑙𝑜𝑔𝑊𝑡] Donde:

S0 = desviación estándar total. SWT

= desviacion asociada a la predicion del tráfico.

SWt=desviación asociada a la predicción del comportamiento del pavimento.15

15 MENENDEZ, Rafael, PALMA, José; Método para el Cálculo de la Desviación Estándar total para el diseño de pavimentos flexibles en el método del MTC y AASHTO 93,2014.10p.

CONFIABILIDAD, R,

EN PORCENTAJE

DESVIACION

ESTANDAR NORMAL, Zr

50 0,000

60 -0,253

70 -0,524

75 -0,674

80 -0,841

85 -1,037

90 -1,282

91 -1,340

92 -1,405

93 -1,476

94 -1,555

95 -1,645

96 -1,751

97 -1,881

98 -2,054

99 -2,327

99,9 -3,090

99,99 -3,750

32

5.5 MÓDULO RESILIENTE EFECTIVO MR.

El módulo de resiliente es el promedio que se presenta en el daño del pavimento (Uƒ), de manera igual se usan los valores modulares estacionales. Con este fin se obtienen los módulos resiliente para los diferentes contenidos de humedad los cuales se proveen a condiciones que se presentan en el transcurso del año. Para cada valor MR se determina el valor del daño relativo16

𝑈𝐹 = 1,18 ∗ 108 ∗ 𝑀𝑅−2,32

Módulo resiliente para la Subrasante Se caracteriza en los materiales de la sub-rasante en la guía AASHTO-93. Es una de las medidas que el suelo reconoce como propiedades no lineales, es notable que no todas las entidades tienen la capacidad de emplear un programa de muestreo para determinar el módulo de resiliente, para esto se diseñó las correlaciones en los ensayos CBR y R entre otras. Podemos presentar la correlación la cual fue formulada por Heukelom y Klomp entre el módulo resiliente y el de CBR.17

Para materiales de Subrasante con 𝐶𝐵𝑅 ≤ 7,2 %. MR = 1,500 * CBR.

Para materiales de sub-rasante con mayor de 7,2% ≤ 𝐶𝐵𝑅 ≤ 20,0%.

𝑀𝑅 = 3,000 ∗ (𝐶𝐵𝑅)∧0,65. el procedimiento para la realización del MR, se tienen en cuenta conocer las propiedades necesarias a efectuar:

16 CHAIRMAN Byron; CHAIRMAN Kenneth. Aashto Guide for desing pavement structures. Washington D.C 2010.624p.

17 CASTILLO, camilo, Revisión de los métodos de diseño de pavimentos flexibles”AASHT093” y el Modelo elástico lineal, Medellín, Universidad Nacional de Colombia, 2014.129p .

33

Se tienen en cuenta los sondeos para conocer la clasificación y propiedades de los suelos.

Tener un conocimiento sobre la capacidad con el fin de realizar pruebas.

Capacidad de soporte utilizando el CBR

Conocer el comportamiento de los materiales con posibilidades de estabilización.

5.6 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES DEL PAVIMENTO

Capa de Subrasante

La Subrasante es la parte de una carretera que sirve para el soporte de las capas de pavimento, por tanto, debe cumplir características estructurales para que, los materiales seleccionados que se colocan sobre ella se acomoden en espesores uniformes y su resistencia debe ser homogénea en toda la superficie para evitar fallas en los pavimentos.18 (BONETT, Gabriel , 2014) Capa de sub-sabe

Es la parte del pavimento entre la Subrasante y la base, esta consiste en una capa granular compactada y estabilizada. Presenta en su estructura tales especificaciones son menores exigentes en resistencia, plasticidad y gradación las cuales si presentan la base. Si la calidad de los materiales de la Subrasante es pobre se debe formular diferentes alternativas de construcción, teniendo en cuanta que los espesores sean de gran tamaño, ya que esta capa al estar por debajo. Capa de base La capa de base es la porción de la estructura del pavimento la cual está debajo de la capa de rodadura, se construye sobre la sub-base o sobre la Subrasante. Su función principal es el soporte estructural, esta consiste en agregados triturados siendo estabilizados, presentan especificaciones para los materiales en cuanto a su estricta a sub-base en resistencia, plasticidad y gradación por la guía AASHTO-93.19

18 BONETT, Gabriel, Guía de procesos constructivos de una vía en pavimento flexible, Universidad Militar Nueva Granada, 2014.36p.

19 PAUCARA, Martin, Diseño de pavimentos flexibles, 2018.

34

Proporcionar un elemento resistente que transmita los esfuerzos producidos por el tránsito.

Los espesores de las bases son muy variables donde suele considerarse entre 12 o 17 centímetros.

Capa de rodadura La capa de rodadura es un pavimento flexible el cual consiste en una base de mezclas de agregados de minerales y materiales que corresponden a la parte superior de la estructura y se construyen sobre la capa de la base, donde tienen que resistir la penetración de agua sobre la superficie. El éxito de la capa de rodadura se enfoca en la realización de obtener una mezcla con contenido de asfalto para ser durable, resistir el desprendimiento de los materiales bajo las condiciones de tránsito.20

Debe ser resistente a la abrasión producida por el trafico

La rugosidad es diseñada para que sea segura Coeficientes de capa Para obtener los coeficientes estructurales de capa para los diferentes materiales dado su función del módulo de elasticidad contenidas en la guía AASHTO-93. Se representa mediante un número de gráficos para la determinación de los coeficientes de capa.

20 BONETT, Gabriel, Guía de procesos constructivos de una via en pavimento flexible, Universidad Militar Nueva Granada, 2014.36p.

35

CONCRETO ASFALTICO

Figura 5 Coeficiente estructural de la carpeta asfáltica (a1)

Fuente: AASHTO-93

𝑎1 = 0,40 ∗ 𝑙𝑜𝑔𝐸𝐶𝐴

435 𝑘𝑠𝑖+ 0,44 0,20 ≤ 𝑎1 ≤ 0,44 (1)21

21 AASHTO. (2010). Guide for desing pavement structures. Washington D.C.

36

BASE GRANULAR

Figura 6 Coeficiente estructural (a2) para Mr de la base

Fuente: figura 2.6 AASHTO-93

𝑎2 = 0,25 ∗ 𝑙𝑜𝑔𝐸𝐵

23 𝑘𝑠𝑖+ 0,11 0,06 ≤ 𝑎2 ≤ 0,20 (2)22

22 AASHTO. (2010). Guide for desing pavement structures. Washington D.C.

37

SUB-BASE GRANULAR

Figura 7 Coeficiente estructural (a3) para Mr de la Sub-base

Fuente: AASHTO-93,

𝑎3 = 0,23 ∗ 𝑙𝑜𝑔𝐸𝑆𝐵

23 𝑘𝑠𝑖+ 0,15 0,06 ≤ 𝑎3 ≤ 0,20 (3)23

23 CHAIRMAN Byron; CHAIRMAN Kenneth.Aashto Guide for desing pavement structures. Washington D.C 2010.624p.

38

5.7 COEFICIENTE ESTRUCTURAL (a1)

los diferentes materiales usados en cada una de las capas de la estructura de un pavimento flexible, este se basa en las características del coeficiente estructural (a1), este coeficiente tiene la capacidad estructural de resistir las cargas solicitantes están basados en correlaciones obtenidas mediante la guía AASTHO-1958-60 Tabla 6 Espesores mínimos (in)

FUENTE: AASTHO-93

5.8 DRENAJE

El coeficiente de drenaje está involucrado en la permeabilidad del material y de la cantidad de tiempo que el agua pueda salir de la estructura, para los parámetros de drenaje recomendados para los materiales no consolidados tradicionalmente en las capas de base y sub-base granular del pavimento. La importancia al momento de diseñar se presenta en una buena base granular para el desempeño de poder drenar rápidamente el agua del pavimento Para la obtención de los coeficientes de drenaje de los materiales de base y sub-base se implementan los argumentos necesarios por la AASHTO según la tabla: Tabla 7 Valores recomendados de coeficientes de drenaje (m1)

TRAFICO, ESALCONCRETO

ASFALTICO, D1

CAPA BASE,

D250.000 1,0 4

50.001 - 150.000 2,0 4

150.001 - 500.000 2,5 4

500.001 - 2.000.000 3,0 6

2.000.001 - 7.000.000 3,5 6

7.000.000 - 4,0 6

39

Fuente: AASHTO-93 La calidad del drenaje de deriva en los términos del tiempo que tarda en ser eliminada de las capas tales como de base y sub-base.24 El valor del coeficiente de drenaje está dado por dos variables que se consideran de gran medida respuesta en la estructura del pavimento.

La calidad del drenaje viene determinada por el tiempo que se demora el agua infiltrada al momento de salir de la estructura del pavimento.

Exposición a la saturación está dada por el porcentaje que tarda el tiempo durante un año para tener el diseño de un pavimento expuesto a niveles de humedad.

6 APLICACIÓN DE DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE POR EL METODO

AASHTO-93

Para el ejemplo aplicativo se suponen algunos valores iniciales, se diseñará el pavimento flexible en una zona rural, se tomará los siguientes valores:

8.000.000 de ejes equivalentes de 8,2 ton.

Suelo de Subrasante con CBR: 7%

Temperatura media anual promedio, T=23.5 ºC

Días promedio en los que llueve en el año = 100

Velocidad media de circulación de vehículos pesados de 30 km/h

24 GARCÍA, Andrés. (2017). Diseño de pavimento flexible método ASSHTO 93. Obtenido de Diseño

de pavimento flexible método ASSHTO 93

<1% 1% - 5% 5% - 25% >25%

EXCELENTE 2 HORAS 1,40 - 1,35 1,35 - 1,30 1,30 - 1,20 1,2

BUENO 1 DIA 1,35 - 1,25 1,25 - 1,15 1,15 - 1,00 1

REGULAR 1 SEMANA 1,25 - 1,15 1,15 - 1,05 1,00 - 0,80 0,8

POBRE 1 MES 1,15 - 1,05 1,05 - 0,80 0,80 - 0,60 0,6

MUY MALO NO DRENA 1,05 - 0,95 0,95 - 0,75 0,75 - 0,40 0,4

PORCENTAJE DE TIEMPO EN EL AÑO, QUE LA ESTRUCTURA

DE PAVIMENTO ESTA EXPUESTA A UN NIVEL DE HUMEDADCARACTERISTICAS

DEL DRENAJE

AGUA

EVACUADA EN

40

Calidad del drenaje: regular Paso 1: determinación de parámetros de confiablidad

Fuente: AASHTO. (2010). Guide for desing pavement structures. Washington D.C.

Asumimos un nivel de confiabilidad R: 90%

Es equivalente a un fractil del Zr= -1,282

Fuente: AASHTO-93 Utilizamos el valor de So= 0,45 Paso 2: Cálculo del índice de servicio ∆𝑃𝑆𝐼 = 𝑃𝑜 − 𝑃𝑓

Fuente: AASHTO. (2010). Guide for desing pavement structures. Washington D.C.

URBANO RURAL

autopistas interestatales 85 - 99,9 80 - 99,9

arterias colectoras 80 - 99 75 - 95

colectoras de transito 80 - 95 75 - 95

carreteras locales 50 - 80 50 - 80

CALIFICACION

NIVEL DE CONFIABILIDAD

RECOMENDADO

Flexible

0,40 - 0,50

Construccion nueva 0,45

Sobrecapas 0,5

Proyecto de

pavimento

Tipo de ViaServiciabilidad

final

Autopista 2.5 - 3.0

Carreteras 2.0 - 2.5

Pavimento urbano

industrial1.5 - 2.0

Pavimento urbano

secundario1.5 - 2.1

Zonas Industriales

41

El índice de servicio Po = 4.0

La Serviciabilidad Final Pf = 2.5 ∆𝑃𝑆𝐼 = 𝑃𝑜 − 𝑃𝑓

∆𝑃𝑆𝐼 = 4.0 − 2.5 = 1.5 Paso 3: cálculo del módulo resiliente de la Subrasante

𝑀𝑅 = 1500 ∗ 𝐶𝐵𝑅

𝑀𝑅 = 1500 ∗ 7 = 10500 𝑝𝑠𝑖 Paso 4: cálculo del módulo resiliente y el coeficiente estructural de la base y la sub-base

𝑀𝑅 = 30000 𝑝𝑠𝑖 ; 𝑎2 = 0,138

𝑀𝑅 = 17000 𝑝𝑠𝑖 ; 𝑎3 = 0,12 Paso 5: cálculo del módulo resiliente de la mezcla asfáltica

Empezamos calculando la frecuencia de carga

𝑓 =𝑣

2𝜋

La velocidad de los vehículos pesados es de 40 km*h

𝑓 =40

2𝜋= 𝑓 = 4,78 𝐻𝑧 ; 5 𝐻𝑧

Para hallar la temperatura optamos por la siguiente ecuación:

𝑇𝑠 = (−0.0093 ∗ 𝑇𝑎2 + 1.569 ∗ 𝑇𝑎 − 1.578)(−0.084 ∗ 𝐼𝑛ℎ𝑠 + 1.55)

Temperatura promedio del aire: 23.5ºC

Espesor de la capa asfáltica: 100 mm

𝑇𝑠 = (−0.0093 ∗ (23.5)2 + 1.569 ∗ 23.5 − 1.578)(−0.084 ∗ 𝐼𝑛100𝑚𝑚 + 1.55)

42

𝑇𝑠 = 35 ºC

Paso 5.1: cálculo del módulo resiliente y el coeficiente estructural de la capa asfáltica

𝑀𝑅 = 4017 𝑀𝑝𝑎 ; 𝑀𝑅 = 582617 𝑝𝑠𝑖

Al reemplazar este valor en la ecuación de coeficiente estructural a1

𝑎1 = 0.184 ∗ 𝐼𝑛 (𝐸1) − 1.9547

𝑎1 = 0.488 Paso 6: cálculo de los coeficientes de drenaje

% 𝑑𝑖𝑎𝑠 𝑙𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 =55

365= 29%

Drenaje es regular dado este tenemos = 0.80

Fuente: AASHTO-93

Podemos decir que los parámetros

𝑚2 = 𝑚3 = 0.8 Paso 7: cálculo del número estructural requerido por la capa asfáltica

<1% 1% - 5% 5% - 25% >25%

EXCELENTE 2 HORAS 1,40 - 1,35 1,35 - 1,30 1,30 - 1,20 1,2

BUENO 1 DIA 1,35 - 1,25 1,25 - 1,15 1,15 - 1,00 1

REGULAR 1 SEMANA 1,25 - 1,15 1,15 - 1,05 1,00 - 0,80 0,8

POBRE 1 MES 1,15 - 1,05 1,05 - 0,80 0,80 - 0,60 0,6

MUY MALO NO DRENA 1,05 - 0,95 0,95 - 0,75 0,75 - 0,40 0,4

PORCENTAJE DE TIEMPO EN EL AÑO, QUE LA ESTRUCTURA

DE PAVIMENTO ESTA EXPUESTA A UN NIVEL DE HUMEDADCARACTERISTICAS

DEL DRENAJE

AGUA

EVACUADA EN

43

log(𝑊) = 𝑍𝑅 ∗ 𝑆𝑜 + 9,36 ∗ log(𝑆𝑁 + 1) − 0,20 + [𝐿𝑜𝑔 (

∆𝑃𝑆𝐼4,2 − 1,5)

0,40 +1094

(𝑆𝑁 + 1)5,19

] + 2,32

∗ log(𝑀𝑅) − 8,07

log(8000000)

= −1.282 ∗ 0.45 + 9,36 ∗ log(𝑆𝑁 + 1) − 0,20 + [𝐿𝑜𝑔 (

1.54,2 − 1,5)

0,40 +1094

(𝑆𝑁 + 1)5,19

]

+ 2,32 ∗ log(30000) − 8,07

Al reemplazar todos los datos y hacemos el respectivo calculo mediante método iterativo decimos que:

𝑆𝑁1 = 2.93 Paso 8: cálculo del espesor de la capa asfáltica

ℎ1 =𝑆𝑁1

𝑎1= ℎ1 =

2.93

0.488

ℎ1 = 6,00" ; 6"

Para esto tenemos en cuenta que el valor mínimo en el espesor de la capa asfáltica es 4”

𝑆𝑁1 = 𝑎1 ∗ ℎ1

𝑆𝑁1 = 0.488 ∗ 6 = 2.928 Paso 9: cálculo del número estructural requerido por la base granular

log(𝑊18) = 𝑍𝑅 ∗ 𝑆𝑜 + 9,36 ∗ log(𝑆𝑁 + 1) − 0,20 + [𝐿𝑜𝑔 (

∆𝑃𝑆𝐼4,2 − 1,5)

0,40 +1094

(𝑆𝑁 + 1)5,19

] + 2,32

∗ log(𝑀𝑅) − 8,07

44

log(8000000)

= −1.282 ∗ 0.45 + 9,36 ∗ log(𝑆𝑁 + 1) − 0,20 + [𝐿𝑜𝑔 (

1,54,2 − 1,5)

0,40 +1094

(𝑆𝑁 + 1)5,19

]

+ 2,32 ∗ log(17000) − 8,07


𝑆𝑁2 = 3,68 Paso 10: cálculo del espesor de la base granular

ℎ2 =𝑆𝑁2 − 𝑆𝑁1

𝑎2 − 𝑚2

ℎ2 = 3.68 − 2.928

0.138 ∗ 0.8= 6,81" ; 7"

Calculamos el número estructural de la base granular real mediante la siguiente ecuación:

𝑆𝑁2 = 𝑎2 ∗ ℎ2 ∗ 𝑚2 + 𝑆𝑁1 =

𝑆𝑁2 = 0.138 ∗ 7 ∗ 0.8 + 2.928 = 3.70 Paso 11: cálculo del número estructural requerido por la sub-base granular

log(𝑊18) = 𝑍𝑅 ∗ 𝑆𝑜 + 9,36 ∗ log(𝑆𝑁 + 1) − 0,20 + [𝐿𝑜𝑔 (

∆𝑃𝑆𝐼4,2 − 1,5)

0,40 +1094

(𝑆𝑁 + 1)5,19

] + 2,32

∗ log(𝑀𝑅) − 8,07

log(8000000)

= −1.282 ∗ 0.45 + 9,36 ∗ log(𝑆𝑁 + 1) − 0,20 + [𝐿𝑜𝑔 (

1,54,2 − 1,5)

0,40 +1094

(𝑆𝑁 + 1)5,19

]

+ 2,32 ∗ log(10500) − 8,07

45


𝑆𝑁3 = 4.42 Paso 12: cálculo del espesor de la sub-base granular

ℎ3 =𝑆𝑁3 − 𝑆𝑁2

𝑎3 − 𝑚3

ℎ3 = 4.42 − 3.70

0.12 ∗ 0.8= 7.75" ; 8"

Como resultado tenemos nuestra estructura de pavimentos

Capa asfáltica de 6” = 15cm

Base granular 7” = 17,78 cm

Sub-base granular 8” = 20 cm

7 APLICACIÓN DE DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE POR EL METODO

AASHTO-93 MEDIANTE EL SOFTWARE AASHTO-93

Para el desarrollo del diseño de pavimento flexible por el método de AASHTO-93,

Tenemos en cuenta que con el Software el cual calcula el SN (Numero estructural)

a partir de los datos como la Serviciabilidad inicial y final, confiabilidad, desviación

estándar, módulo de resiliente de la capa, número de ejes equivalentes (W18)

Figura 8 Interfaz software Ecuación AASHTO-93

46

Fuente: Software AASHTO 93, 2020.

Al verificar los datos en el Software AASHTO-93, se obtienen los valores de los

números estructurales para cada capa.

Paso 1: se debe elegir el tipo de pavimento a diseñar en nuestro caso, el diseño

del pavimento flexible.

Figura 9 Ecuación AASHTO, pavimento flexible


Paso 2: se debe seleccionar la confiabilidad (R), La escogida por el diseño es del

90% Es equivalente a un fractil del Zr= -1,282

Figura 10 Ecuación AASHTO, R=90%

47


Paso 3: al verificar los valores de desviación estándar al sistema, el índice de

servicio inicial, índice de servicio final y tránsito.

Para los valores de este diseño son So= 0.45, Psi Inicial = 4.0, Psi Final = 2.5 Y

W18 = 8.000.000

Figura 11 Ecuación AASHTO, So= 0.45, psi inicial=4.0, psi final=2.5 y W18= 8000000


Paso 4: se le introduce los valores en el programa ya anteriormente calculados,

los cuales son el nivel de Serviciabilidad inicial y final, módulo resiliente de la capa

y número de ejes para lo cual se está diseñando.

48

Figura 12 Calculo del SN1 para la carpeta asfáltica


Figura 13 Cálculo del SN2 para la base granular


49

Figura 14 Cálculo del SN3 para la sub-base granular


Figura 15 Cálculo del SN para la Subrasante granular


50

Figura 16 Capas que conforman un pavimento flexible

Fuente: Software AASHTO 93.

Análisis de los resultados método AASHTO-93

Tabla 8 Datos calculados relacionados con cada capa

Fuente: Autor 2020

CAPA (pulg) SN M

CARPETA 0,488 0,8

BASE 0,138 2,93 0,8

SUB-BASE 0,12 3,68 0,8

SUBRASANTE 4,42

51

8 MÉTODO DE SHELL

En este sistema el método se considera un pavimento de multicapa linealmente elástico, donde está bajo la acción de las cargas de transito donde los materiales se encuentran caracterizados por su módulo de elasticidad (E), la relación de Poisson (µ). Los materiales son considerados homogéneos dado que sus capas en una extensión infinita en el sentido horizontal. 25 Los parámetros que se deben evaluar para el diseño son los siguientes:

El transito

La temperatura

Las propiedades de la Subrasante, subbase y base

Características de la mezcla asfáltica

Transito En el método de Shell se determina el tránsito a través del número acumulado de los ejes equivalentes 8,2 Ton donde están establecidos mediante el eje sencillo el cual representa el carril, este se basado durante el periodo de diseño para la realización por medio del sistema de ruedas dobles con un área de contacto.

𝑁 = 𝑇𝑃𝐷 ∗ (𝐴

100) ∗ (

𝐵

100) ∗ 365 ∗

(1 + 𝑟)𝑛

ln(1 + 𝑟)∗ 𝐹𝑐

TPD: transito promedio diario A = % Vehículos comerciales (autobuses + camiones) B = % Vehículos comerciales que emplean el carril de diseño N = Periodo de diseño r = Tasa de crecimiento anual del transito Fc = factor camión

𝑁𝑒 = 2,4 ∗ 10−8 ∗ 𝑙4 Donde: Ne: factor de conversión L: Magnitud de la carga por el eje expresada en KN

25 LEDERMAN S., PABLO. Asociación de Ingenieros civiles Universidad Nacional de Colombia. En: Diseño de pavimentos: Memorias (1991: Santa Fe de Bogotá) AICUN, 1991. P.1-45; P.V. 47088P.

52

Temperatura En el método de Shell las propiedades de la temperatura tienen una gran influencia en las capas asfálticas mediante la susceptibilidad térmica, en este sistema representa el procedimiento para determinar y estimar la temperatura anual mediante el alcance del aire (w-MAAT), el comportamiento de la mezcla es diferente según el clima frio o caliente con el fin de demostrar este efecto y en la región del proyecto donde se demuestre las temperaturas medias mensuales del aire (MMAT),así obtener los factores de ponderación

Figura 17 Curva de ponderación de Temperatura

53

Figura 18 Registro de temperaturas correspondientes a cada mes

Factor de ponderación

𝑃𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =14,1

12= 1,175

20.6 º C

Resistencia de la Subrasante

Este método exige conocer el módulo de resiliencia basándonos en el CBR, donde

lo podemos asumir en términos de Kg/cm2 26

𝑀𝑅 = 100 ∗ 3,4% (𝑘𝑔

𝑐𝑚2) = 340

𝑘𝑔

𝑐𝑚2

26 ZUÑIGA, Alfonso, Diseño de pavimentos método Shell, ejercicios de repaso, 36p.

54

Resistencia de las capas granulares

También podemos determinar a resistencia en base al módulo de elasticidad o

módulo resiliente, presenta función a las características del material, el espesor y

la resistencia de apoyo. En el método de Shell se emplea la misma correlación

usando la Subrasante

𝑀𝑅 = 107 ∗ 𝐶𝐵𝑅𝑁

𝑚2

El módulo presenta términos de CBR en zonas del 20%, 40% y del 80%

respectivamente

Propiedades de la Subrasante, sub-base y base Para el módulo de resiliente de la Subrasante (Mr) o como también se conoce como módulo dinámico, podemos realizar mediante ensayos de tipo triaxial, debido a esto se presentan situaciones donde no se puede emplear, determinar el ensayo por la falta de equipos, podemos realizar correlaciones en base al CBR como lo identifica en la siguiente ecuación sugerida por la guía de la AASHTO

𝑀𝑟 (𝑁

𝑚2) = 107 ∗ 𝐶𝐵𝑅

𝑀𝑟 (𝐾𝑔

𝑐𝑚2) = 100(9) = 900

𝐾𝑔

𝑐𝑚2

Podemos emplear las correlaciones para poder determinar el módulo de resiliente de la base y la sub-base

Características de la mezcla asfáltica En las características de la mezcla asfáltica se identifica dos propiedades las cuales son de gran importancia como lo son el módulo de elasticidad dinámico donde presenta tiempos cortos en la aplicación de carga Stiffnes y la resistencia de la mezcla donde la fatiga se presenta por el agrietamiento por la flexión de cargas muy repetitivas bajo su acción Mediante sus propiedades ya mencionadas con base a esto tenemos el grado de penetración del asfalto, donde la Shell identifica 8 tipos de mezclas asfálticas

𝑆1 − 𝐹1 − 50

𝑆1 − 𝐹2 − 50 𝑆1 − 𝐹1 − 100

𝑆1 − 𝐹2 − 100

55

𝑆2 − 𝐹1 − 50

𝑆2 − 𝐹2 − 50 𝑆2 − 𝐹1 − 100

𝑆2 − 𝐹2 − 100

Las S1 son mezclas corrientes de concreto de asfalto, presentan una alta rigidez y de vacío de aire. Las mezclas de S2 son de baja rigidez, son mezclas abiertas con un alto contenido de vacío de aire y un bajo contenido de asfaltos. En la fatiga el método se distingue de dos tipos de mezclas donde las F1 presentan una alta resistencia y en cantidades moderadas de vacíos de aire y de asfalto, y las F2 presentan una baja resistencia dado el alto volumen de vacío que tienen en el aire. Para poder determinar el tipo de mezcla asfáltica la Shell presenta el procedimiento a seguir de algunos de los pasos:

Determinación del índice de penetración de la temperatura T800 del asfalto

En el índice de penetración (IP) es la medida de la susceptibilidad térmica la cual está determinada por los ensayos de penetración a diferentes temperaturas, con la ayuda de la gráfica HELKELLOM obtenemos una medida termina del asfalto. También se presenta el T800 que es la temperatura llega a las 800 décimas de milímetro.

Tabla 9 Temperatura

Con los valores de la penetración para las temperaturas de ensayo traza una recta prolongada hasta cortar a la horizontal correspondiente a una penetración de 800

𝑇800 = 64 °𝐶

Temperatura °C Penetracion (1/10 mm)

20 35

25 50

30 70

56

Determinación del Stiffness del asfalto a la temperatura de trabajo en obra

Se emplea la gráfica de Van Der Poel es necesario conocer el índice de penetración, el tiempo de aplicación de carga, la Shell recomienda emplear un tiempo de 0,02 s donde esta corresponde a la velocidad del vehículo de 50 – 60 Km/h Diferencia de temperatura (ΔT)

∆𝑇 = 𝑇800 − 𝑇𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 T mezcla es la temperatura de la mezcla que está en función de la temperatura media anual w-MAAT y del espesor de la capa. Donde tenemos que el valor de la

temperatura w-MAAT = 16.5°𝐶 Para poder determinar el espesor medio entre un mínimo y un máximo se obtienen una T mezcla = 23.5 °C. Por lo tanto

∆𝑇 = 64 − 23,5 = 40,5°𝐶

Stiffness del asfalto = 2 ∗ 107 𝑁

𝑚2

Determinación del módulo de elasticidad dinámica de la mezcla asfáltica

Para esta determinación se emplea la gráfica de HEUKELOM donde es necesario conocer la elasticidad dinámica del asfalto, la composición volumétrica de la mezcla asfáltica Agregado 81% Asfalto 10% Aire 9% Con el valor de Stiffness del asfalto se prolonga horizontalmente para poder conectar con las curvas del porcentaje del asfalto que es del 10%, para interceptar con la curva de los agregados del 81% 27 Determinar si la mezcla es del tipo S1 o S2

en la cual se ubica el punto de confluencia del módulo de elasticidad dinámica del asfalto y de la mezcla. Con modulo de elasticidad dinámica del asfalto


57

Figura 19 : Relaciones entre la rigidez de la mezcla y la rigidez del asfalto.

Determinación de la deformación máxima admisible de tracción en

la fibra inferior de las capas asfálticas:

prolonga la línea que los une hasta el marco del cuadro, de allí se traza una

horizontal hasta hallar la recta que corresponde al tránsito expresado como N de

allí se traza una vertical hasta hallar en la abscisa inferior la deformación

horizontal por tracción28

28 Asfáltica Norma INVÍAS MDC-2 con asfalto 60-70 normalizado. Método Marshall.

58

Identificación del código de fatiga de la mezcla

Figura 20 : Nomograma de fatiga basado en Smix y Vb

Diseñar un pavimento flexible por el método Shell, con los siguientes parámetros de diseño Temperatura w – MAAT = 20°C CBR de la Subrasante = 9 %

𝑁 = 2,58 ∗ 106 ejes equivalentes de 80 kn. Código de la mezcla = S1 – F1 – 50 Paso 1: determinamos el módulo de resiliente de la Subrasante mediante la fórmula siguiente:

𝑀𝑟 = (𝑁

𝑚2) = 107 ∗ 𝐶𝐵𝑅

𝑀𝑟 = (𝑁

𝑚2) = 9 ∗ 107

Paso 2: determinar la gráfica a utilizar la cual cumpla con los requisitos de temperatura, módulo resiliente y el código de la mezcla

59

Figura 21 Grafica HN49

Alternativa 1

En el punto 1 se obtiene un espesor pleno de concreto asfaltico de 250 mm

Alternativa 2 En el punto 2 se determina el espesor de una capa asfáltica y una granular donde esta obtiene un CBR = 20%

60

Alternativa 3 En el punto 3 se realiza el espesor de capa asfáltica y una base granular donde esta obtiene un CBR = 20% y del 40%

61

Teniendo en cuenta lo anterior podemos trazar una horizontal del punto 3 donde cruce por las líneas entrecortadas de los materiales del CBR = 20% y CBR =40%, obteniendo así un espesor de 150 mm para un CBR = 20%, El espesor para el material del CBR = 40% donde presenta la diferencia del 250 – 160 = 90 mm Tenemos espesores: Capas asfálticas Capas granular con CBR=40%29 Capas granular con CBR=20% Obteniendo un espesor del pavimento de 400 mm Alternativa 4

Se determina el espesor de una capa asfáltica y una granular con CBR=20%, 40%, 80% Capa asfáltica h1 = 50 mm Capa de material granular h2 = 425 mm donde podemos dividir en dos los materiales para un CBR del 20, 40 y 80%


62

El espesor del material de CBR = 40% donde es la diferencia de 225 – 150 = 75 mm y el espesor de la capa con CBR = 80% es la diferencia entre 425 – 225 = 200 mm Los espesores obtenidos son: Capas asfálticas = 50 mm Capa granular con CBR > 80% = 200 mm Capa granular con CBR > 40% = 75 mm Capa granular con CBR > 20% = 150 mm Espesor pavimento = 475 mm Tabla 10 Espesores

Figura 22 : ESPESORES DEL PAVIMENTO

9. COMPARACIÓN CON EL MÉTODO AASHTO-93, CON EL MÉTODO DE

SHELL

MÉTODO SHELL

Ventajas

Presenta una detallada evaluación más analítica del pavimento

Se establece un espesor mínimo por razones constructivas, es indispensable utilizar 4 cm de acuerdo al método Shell

Es recomendable utilizar un nivel de rugosidad

Es indispensable la utilización de la alternativa de las 4 propuestas para el diseño del pavimento para los parámetros asumidos

Es necesario realizar el reemplazo de materiales como la Sub-base granular

Desventajas

solo se puede aplicar para los pavimentos asfalticos

la definición de los parámetros es muy compleja debido a que se requiere conocer el tránsito a la fecha

el método de la AASHTO presenta más variables para la realización del diseño del pavimento flexible

CBR>20 CBR>40 CBR>80

1 - - - 250

2 190 - - 175

3 160 90 - 150

4 175 75 200 50

ESPESOR DE LAS CAPAS GRANULARES, mm h2

Nª

ESPESOR DE h1

mm

63

si la deformación es vertical por el efecto de la compresión, si se utiliza de manera excesiva la deformación puede ser permanente en la Subrasante

METODO AASHTO-93 El diseño del pavimento flexible realizado por el método de la AASTHO presenta una serie de ventajas y desventajas determinantes para la ejecución de obra, las cuales se presentan a continuación: Ventajas

Vida útil máximo 15 años para el diseño del pavimento flexible

Con este método se puede variar en la capa del espesor para obtener todos los cálculos de los números estructurales

Absorbe la humedad con facilidad.

El método relaciona la confiabilidad, la desviación estándar, el factor de distribución de carril, drenaje, los ejes equivalentes, el nivel de servicio

Los métodos de dimensionamiento son muy diversos.

La AASHTO asume la estructura la cual soporta los niveles más significativos de transito donde esto depende de las variables

Tiene capas las cuales pueden retener el agua.

Presenta una visibilidad más efectiva durante la noche.

Desventajas

Estos pavimentos no tienen durabilidad como los de concreto

El costo final de los pavimentos flexibles, al considerarlos con los mismos periodos que los pavimentos del rígido, es de gran importancia.

Tiene una alta probabilidad de baches, hundimientos y rodaderas.

Los deterioros y deformaciones que sufren disminuyen comodidad y seguridad.

La resistencia tiende a disminuir, principalmente en climas calientes.

Se requiere de mayores excavaciones, movimiento de tierras.

Las altas temperaturas y lluvias promueven gran pérdida del material.

Sobrecargas imprevistas y trafico provocan daño estructural al pavimento.

64

10. APORTES DEL TRABAJO

El proceso de la monografía como opción de grado al título de Ingeniería Civil, contribuyó en la parte cognitiva y social, aplicando los conocimientos obtenidos en la Universidad Santo Tomás y velando por el cumplimiento de las actividades asignadas. De igual manera se apoyó a la empresa con el cumplimento y la satisfacción de los objetos contratados, siendo el pilar fundamental para la ejecución y el desarrollo de la práctica profesional.

10.1 APORTES COGNITIVOS

Con la realización del presente trabajo de grado, se buscó llevar la práctica profesional a la investigación, siendo útil para el desarrollo profesional, Así mismo se dio una visión acertada del pavimento flexible y el método de la ASSHTO y el método Shell necesario para el diseño de las carreteras a nivel mundial. Se abarcaron conocimientos previamente investigados en el diseño del método AASHTO-93 basados en la metodología de las variables a emplear tales como tránsito, Serviciabilidad, confiabilidad, desviación estándar entre otras. Con la investigación realizada se llevó a cabo un procedimiento para el análisis del comportamiento del pavimento. Al mismo tiempo con el diseño realizado mediante el software AASHTO-93 se elaboró un trabajo técnico, explicando las diferentes fórmulas y parámetros, las cuales depende el tipo de proyecto maneja grandes cantidades de datos, por lo que es necesario tener una buena gestión y control de calidad, visualizando un trabajo eficiente asociado a la investigación. De igual manera este proyecto se complementa con el control interno, relacionando aspectos con la interventoría y la residencia en obra. Se debe implementar el sistema SISO, exigiendo todas las medidas de seguridad para los trabajadores, teniendo un riguroso control al momento de iniciar y terminar la obra, evitando riesgos en la integridad física de las personas. El parámetro de diseño en el módulo de elasticidad de la Subrasante

10.2 APORTES A LA COMUNIDAD

Con el desarrollo de la pasantía y el trabajo de monografía se logra evidenciar la importancia de la investigación, relacionando así el ámbito laboral y social con la teoría. Como futuro ingeniero civil se logró aportar a la comunidad el mejoramiento de los pavimentos, brindando soluciones viables a las diferentes necesidades que

65

se presentaron durante el apoyo a las diferentes actividades asignadas por la empresa. Se brindó el acompañamiento a los ingenieros encargados de cada uno de los proyectos, verificando el cumplimiento de las especificaciones técnicas de los manuales, evitando futuras fallas en pavimento flexible. Así mismo se solucionaron dudas de la comunidad, aportando los conocimientos teórico- prácticos impartidos por la Universidad y los tutores. Se explicó a la comunidad la importancia de realizar las actas de vecindad, manifestando el estado actual de los inmuebles y exponiendo las actividades y materiales a emplear durante la construcción. De igual forma con la socialización de las obras que se adelantaron se logró evitar riesgos a los transeúntes y plantear alternativas para la movilidad, debido a que la utilización de maquinaria para las labores excavación, presentó cierres preventivos en las principales vías de la ciudad. Como pasante también se mantuvo un control constante en la señalización y se exigió los implementos de seguridad de cada uno de los trabajadores.

11. IMPACTOS DEL TRABAJO DESEMPEÑADO

El presente trabajo de monografía basado en el diseño y la construcción de los

pavimentos flexibles, son de suma importancia para la ejecución de la obra, debido

a que los espesores de capa determinan el presupuesto y las cantidades. De igual

manera con el análisis realizado por el método de la AASTHO se logró identificar

que la estructura diseñada soporta niveles significativos de tránsito basados en la

confiabilidad, factor de distribución y la vida útil de las vías.

Con la realización del diseño y la ejecución de la práctica profesional se generan impactos positivos a la comunidad, evidenciando la mejora en la calidad de vida de la población y la generación de empleo; también se logró solucionar problemas de movilidad impactando a los peatonales los cuales se veían expuesto a accidentes automovilísticos. Sin embargo, con la ejecución en la construcción del pavimento se generan impactos negativos al ambiente, contaminando auditiva y visualmente.

66

12. CONCLUSIONES

Para el diseño por el método AASHTO-93, se requiere ejecutar los estudios de suelos y de transito antes de emplear el diseño. El tiempo de servicio de los pavimentos depende de los trabajos de rehabilitación,

tanto del tipo superficial como estructural.

El método AASHTO relaciona las variables de confiabilidad, desviación estándar, factor de distribución de carril, drenaje. Es de vital importancia establecer una política permanente de mantenimiento periódico y rutinario de la vía con el fin de controlar el deterioro del pavimento. Las principales causas de las fallas en los pavimentos se deben al tráfico de

diseño, proceso constructivo, deficiencias de proyecto, factores ambientales y un

deficiente mantenimiento

Se debe mantener un grado de flexibilidad para cubrir los asentamientos que presente la capa inferior (base o sub-base). Las principales causas de las fallas en los pavimentos se deben al tráfico de

diseño, proceso constructivo, deficiencias de proyecto, factores ambientales y un

deficiente mantenimiento

Para el diseño del método Shell los parámetros que define el tipo de mezcla S1F1-50, en el trazado de las gráficas presentan un alto nivel de sensibilidad

13. RECOMENDACIONES

La evaluación estructural del pavimento, tiene por objeto la cuantificación de la

capacidad estructural remanente presente en las distintas capas que componen la

estructura. Para evaluar esta capacidad estructural del pavimento existen diversos

procedimientos, los cuales se estudiaron, clasificaron y analizaron. De este análisis,

se pueden concluir una serie de ventajas y desventajas que presentan los distintos

métodos de evaluación estructural del pavimento.

Si se desea restablecer el índice de Serviciabilidad del pavimento para restablecer

su condición funcional, se deberá tener algún grado de certeza respecto de la

capacidad estructural remanente del pavimento de modo tal que esta sea la

adecuada para el resto de la vida útil que se espera de la estructura del pavimento.

67

Se recomienda para el proceso constructivo del pavimento la separación entre los

materiales del suelo de la Subrasante y de las capas granulares

14. GLOSARIO

AASHTO: Asociación Americana de Oficiales de Autopista y Transportación.

ASFALTENO: componente de asfalto o betún petróleo, productos del petróleo. Es

la fracción resinosa y adherente del asfalto o bitumen que compone a este en su cuarta o quinta parte. BASE: capa de material selecto y procesado que se coloca entre la parte superior

de una subbase o de la Subrasante y la capa de rodadura. Esta capa puede ser también de mezcla asfáltica o con tratamientos según diseños. La base es parte de la estructura de un pavimento. CAPA ASFÁLTICA NIVELANTE: una capa (mezcla de asfalto y agregado) de espesor variable usada para eliminar irregularidades en el contorno de una superficie existente, antes de un tratamiento o de una construcción.

CARRIL: parte de la calzada destinada a la circulación de una fila de vehículos en

un mismo sentido de tránsito. CARRIL ADICIONAL PARA CIRCULACIÓN LENTA: carril adicional situado a la derecha de los principales, que permite desviarse a los vehículos que circulan con menor velocidad para permitir el adelantamiento de vehículos más rápidos. CARRIL DE CAMBIO DE VELOCIDAD: carril destinado a incrementar o reducir la velocidad, desde los elementos de un acceso a la de la calzada principal de la carretera, o viceversa. CBR (California Bearing Ratio): valor relativo de soporte de un suelo o material, que se mide por la penetración de una fuerza dentro de una masa de suelo. COMPACTACIÓN: proceso manual o mecánico que tiende a reducir el volumen

total de vacíos de suelos, mezclas bituminosas, morteros y concretos frescos de cemento Portland. CONCRETO ASFÁLTICO: mezcla procesada, compuesta por agregados gruesos

y finos, material bituminoso y de ser el caso aditivo de acuerdo a diseño y especificaciones técnicas. Es utilizada como capa de base o de rodadura y forma parte de la estructura del pavimento.

68

ESTUDIO DE SUELOS: documento técnico que engloba el conjunto de exploraciones e investigaciones de campo, ensayos de laboratorio y análisis de gabinete que tiene por objeto estudiar el comportamiento de los suelos y sus respuestas ante las solicitaciones de carga. FATIGA: reducción gradual de la resistencia de un material debido a solicitaciones

repetidas. FISURAS: Discontinuidades en la carpeta asfáltica, en la misma dirección del tránsito o transversales a él. Son indicio de la existencia de esfuerzos de tensión en alguna de las capas de la estructura, las cuales han superado la resistencia del material afectado. FLUJO DE TRÁNSITO: movimiento de vehículos que se desplazan por una sección

dada de una vía, en un tiempo determinado. MARCAS EN EL PAVIMENTO: líneas y símbolos que se utilizan con el objeto de reglamentar el movimiento de vehículos e incrementar la seguridad en su operación. Sirve, en algunos casos, como suplemento a las señales y semáforos en el control del tránsito; en otros constituye un único medio, desempeñando un factor de suma importancia en la regulación de la operación del vehículo en la vía. OBRA: infraestructura vial ejecutada en un área de trabajo, teniendo como base un expediente técnico aprobado, empleando generalmente recursos: mano de obra,

materiales y equipo. PAVIMENTO: estructura construida sobre la Subrasante de la vía, para resistir y distribuir los esfuerzos originados por los vehículos y mejorar las condiciones de seguridad y comodidad para el tránsito. Por lo general está conformada por las siguientes capas: subbase, base y rodadura. PAVIMENTO FLEXIBLE: constituido con materiales bituminosos como

aglomerantes, agregados y de ser el caso aditivos. PAVIMENTO RÍGIDO: constituido por cemento Portland como aglomerante, agregados y de ser el caso aditivo. PLANO TOPOGRÁFICO: representación gráfica pormenorizada a escala de una

extensión de terreno. PLANOS DEL PROYECTO: representación conceptual de una obra vial constituido por plantas, perfiles, secciones transversales y dibujos complementarios de ejecución. Los planos muestran la ubicación, naturaleza, dimensiones y detalles del trabajo a ejecutar.

69

PLANOS TIPO: documentos aprobados que se elaboran en base a especificaciones técnicas y que se usan en obras estándar de uso frecuente. REHABILITACIÓN: ejecución de las obras necesarias para devolver a la

infraestructura vial sus características originales y adecuarla a su nuevo periodo de servicio; las cuales están referidas principalmente a reparación y/o ejecución de pavimentos, puentes, túneles, obras de drenaje, de ser el caso movimiento de tierras en zonas puntuales y otros. RELACIÓN DE POISSON: El coeficiente de Poisson corresponde a la razón entre

la elongación longitudinal y a la deformación transversal en un ensayo de tracción. Alternativamente el coeficiente de Poisson puede calcularse a partir de los módulos de elasticidad longitudinal y transversal. RUGOSIDAD (PAVIMENTO): parámetro del estado más característico de la condición funcional de la capa de superficie de rodadura de un pavimento. Se expresa mediante el Índice de Rugosidad Internacional (IRI). SUBBASE: capa que forma parte de la estructura de un pavimento que se encuentra inmediatamente por debajo de la capa de base. SUBESTRUCTURA: componente estructural donde se apoya la superestructura y

que trasmite al terreno de cimentación las cargas aplicadas al puente, entre ellos los estribos y pilares. SUBRASANTE: superficie terminada de la carretera a nivel de movimiento de

tierras (corte o relleno), sobre la cual se coloca la estructura del pavimento o afirmado. SUPERFICIE DE RODADURA: parte de la carretera destinada a la circulación de

vehículos compuesta por uno o más carriles, no incluye la berma. TRÁNSITO: actividad de personas y vehículos que circulan por una vía. TRANSITO PROMEDIO DIARIO: volumen de tránsito durante determinado periodo, dividido por el número de días del periodo. VELOCIDAD DE DISEÑO: máxima velocidad con que se diseña una vía en función

a un tipo de vehículo y factores relacionados a: topografía, entorno ambiental, usos de suelos adyacentes, características del tráfico y tipo de pavimento previsto. VÍA DE SERVICIO: vía sensiblemente paralelo a una carretera, respecto de la cual

tiene carácter secundario, conectado a ésta solamente en algunos puntos y que

70

sirve a las propiedades o edificios contiguos. Puede ser con sentido único o doble sentido de circulación.

15. BIBLIOGRAFIA

AMAYA, Omar. Diseño de la estructura de un pavimento flexible aplicando el método Aashto-93. Bogotá D.C, 2019.44p. Arredondo Arango, Carlos Eduardo. Aristizabal, Alba Luz. Morales, Marcela. Enfoque mecanístico del método Shell y su aplicación en la república de Colombia. AIM, 1989. 32P. Asfáltica Norma INVÍAS MDC-2 con asfalto 60-70 normalizado. Método Marshall.

BONETT, Gabriel, Guía de procesos constructivos de una vía en pavimento flexible, Universidad Militar Nueva Granada, 2014.36p. CASTAÑEDA, yizel, SALAMANCA, Cristian; Análisis del comportamiento de una estructura de pavimento flexible en una vía de tráfico pesado, caso particular vía urbana en la ciudad de Bogotá barrio santa catalina, Bogotá, 2016,128p CASTILLO, camilo, Revisión de los métodos de diseño de pavimentos flexibles” AASHT093” y el Modelo elástico lineal, Medellín, Universidad Nacional de Colombia, 2014.129p CHAIRMAN Byron; CHAIRMAN Kenneth.Aashto Guide for desing pavement structures. Washington D.C 2010.624p. Corredor, Gustavo; Experimento Vial de la AASHO y las Guías de Diseño AASHTO, 2008,20p

COSSI, Patricia, Diseño de pavimentos métodos AASHO- 93, 2014,30p.

FERNÁNDEZ LOAIZA, Carlos. Mejoramiento y estabilización de suelos. FONSECA, Alfonso, Ingeniería de pavimentos para carreteras, Universidad católica de Colombia, Ágora Editores, 2002.

71

GARCIA, Andrés; Diseño de pavimentos Asfaltico por el método ASSHTO- 93 Empleado el software Disaashto-93, Universidad Militar nueva granada, 2014.22p. GUTIÉRREZ, Javier, Diseño de un pavimento flexible por los métodos AASTHO y raciona, Pereira, 2014,53p JAÑA, Cristian, Implementación de la guía de diseño mecanístico - empírico aashto 2008 en la región Piura, septiembre 2016, 168p. LEDERMAN S., PABLO. Asociación de Ingenieros civiles Universidad Nacional de Colombia. En: Diseño de pavimentos: Memorias (1991: Santa Fe de Bogotá) AICUN, 1991. P.1-45; P.V. 47088P. LONDOÑO NARANJO, Cipriano y ALVAREZ PABÓN, Jorge Alberto. Manual de diseño de pavimentos de concreto: para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito / Cipriano Alberto Londoño Naranjo; Jorge Alberto Álvarez Pabón; Instituto Colombiano de Productores de Cemento. – Medellín: ICPC; 2008. 114p. MENENDEZ, Rafael, PALMA, José; Método para el Cálculo de la Desviación Estándar total para el diseño de pavimentos flexibles en el método del MTC y AASHTO 93,2014.10p. Ministerio de Transporte e Infraestructura Manual para la Revisión de Estudios y Diseños de Pavimentos, Nicaragua, 2008.194p. MONTEALEGRE, William, AUGUSTO, Cesar; Diseño de un pavimento flexible por el método aashto utilizando como capa de rodadura un asfalto natural y chequearlo por el método racional, Universidad cooperativa de Colombia, Ibagué, Colombia, 2019.54p MONTEJO FONSECA, Alfonso. Ingeniería de pavimentos para carreteras, 2002. PAUCARA, Martin, Diseño de pavimentos flexibles, 2018. POLITO, Gerardo, Evolución, tecnologías aplicadas en la actualidad y el futuro de los pavimentos flexibles en México, Universidad Nacional Autónoma Mexica, 2015,193p. REYES, spindola; CARDENAS, james, Ingeniería de Transito-Volúmenes de Transito, México, Alfa omega, 2007.

72

SALAMANCA, María; NIÑO, Arturo. Diseño de la estructura de pavimento flexible por medio de los Métodos Invias, Aashto instituto del asfalto para la vía la ye - santa lucia barranca, Lebrija entre las abscisas k19+250 a k25+750 ubicada en el departamento del cesar, 2014.289p. Shell pavement design manual: asphalt pavement and overlays for road traffic. Shell international petroleum. London, shell, 1978. 435P. 46620P. Suarez, Javier, Diseño de la Estructura de un pavimento flexible por medio de la implementación del método aastho-93, para la ampliación del costado occidental de la autopista norte desde la calle 245 (el buda) hasta la caro, Universidad Militar Nueva Granada,2017,46p. VIECO, Bernardo. Estudio de suelos y pavimentos para SABANETA (06’122). Medellín septiembre 21 de 2006.

ZUÑIGA, Alfonso, Diseño de pavimentos método Shell, ejercicios de repaso, 36p.

Documents

TRABAJO DE MONOGRAFÍA, ANÁLISIS Y DISEÑO DEL …