1. Introducción y conceptos de diseño de pavimentos

2. Métodos de diseño y tipos de pavimentos

3. Suelo de fundación y materiales de la estructura de pavimento

4. Tráfico de diseño

5. Consideraciones de drenaje para el diseño de pavimentos

6. Comportamiento de los pavimentos

7. Método de diseño de pavimentos flexibles AASHTO 1993

8. Método de diseño de pavimentos flexibles del Instituto del Asfalto

9. Ejemplo de aplicación de diseño de pavimentos flexibles

10. Método de diseño de pavimentos rígidos AASHTO 1993

11. Método de diseño de pavimentos rígidos PCA

12. Ejemplo de aplicación de diseño de pavimentos rígidos

13. Introducción al método de diseño mecanístico empírico AASHTO 2002

14. Conceptos de gestión del mantenimiento

“……..Si se da dos diseñadores la

tarea de diseñar un pavimento para

una vida útil de 20 años, el primero

puede considerar que hizo un buen

diseño si no apareció ninguna grieta

en 20 años, mientras que el segundo

estará satisfecho si el último vehículo

pudo circular el año 20 desde la

construcción”

AASHTO Test Report 5, 1962

• Es el proceso por el cual los componentes estructurales (carpeta,

losa, base, sub base, subrasante) de un segmento de carretera

son determinados tomando en consideración la naturaleza de la

sub-rasante, las consideraciones ambientales, densidad y

composición del tráfico, y las condiciones de mantenimiento.

• Considerando que el pavimento es la parte superior de una

carretera, aeropuerto o zona de parqueo e incluye todas las

capas que se apoyan en el suelo natural, incluidas las bermas.

En forma resumida el diseño de la estructura del pavimento es:

• Establecer espesores y rigideces de los materiales para

mantener la vía bajo un cierto nivel de deterioro y confort.

• Estudio de la subrasante

• Selección de los materiales (tipos de pavimentos)

• Proporcionamiento de los materiales

• Estudio del tráfico

• Diseño de los espesores de cada capa

• Análisis del ciclo de vida (incluido mantenimiento y tipo de

ejecución)

• Determinación de espesores finales

• Proporcionar a los usuarios circulación segura, cómoda y

confortable sin demoras excesivas

• Proporcionar a los vehículos acceso entre dos puntos bajo

cualquier condición de clima. Reducir y distribuir la carga de

tráfico para que esta no dañe la subrasante

• Cumplir requerimientos medio ambientales y estéticos

• Limitar el ruido y la contaminación del aire

• Suficiente espesor para que la intensidad de las cargas y

presiones sea tolerable por la subrasante, sin deformaciones

excesivas

• Resistencia suficiente de los componentes para asumir los

esfuerzos impuestos por el tráfico y el clima.

• Suficiente espesor para prevenir el efecto del congelamiento en

subrasantes.

• El material del pavimento debe ser impermeable a la penetración

del agua superficial que pudiera debilitar la subrasante y

consecuentemente el pavimento o en su defecto facilitar la

circulación del agua disminuyendo su permanencia en la

estructura

• La superficie del pavimento debe ser resistente al deslizamiento

• Los romanos construyeron 84,000 km de vías empedradas

elevadas del nivel de rasante apoyadas en una estructura de

piedras grandes

• Los incas y preincas construyeron caminos peatonales de

gran longitud con superficies de piedra y arena.

Se estima que

alcanzaron

una longitud

de 25,000 Km

Dos grandes

caminos

longitudinales

(norte-sur)

Varios

caminos

trasversales

(Este-oeste)

• En Francia en el siglo XVII se construyeron vías de poco ancho

con superficie de rodadura formada por piedras pequeñas, y

arena.

• En EEUU e Inglaterra en 1830 se emplea el asfalto y arena como

protección de la carretera.

• En Austria en 1850 se emplea por primera vez el pavimento

rígido.

• En 1900 aparecen los vehículos a motor con neumáticos.

• Pierre Trasaguet finales del siglo

XVII, introduce el concepto de

que el pavimento debe contar

con un buen drenaje y que

requiere un mantenimiento

continuo.

• John McAdam (1756-1836), la

subrasante con drenaje y

adecuadamente compactada

debe soportar la carga mientras

que la superficie de rodadura

está conformada por piedra

chancada de diferentes tamaños

que actúa también como una

capa de protección.

• En 1941 en EEUU se

efectúa el ensayo en

pista de prueba de

Maryland , donde se

analiza el efecto de 4

configuraciones

diferentes de

pavimentos de

concreto.

• En 1997 se inicia en EEUU SHRP (Strategic Highway Research

Program)

• Pista de Pruebas West Track iniciada en el año 1996

• Desarrollada como la guía de Estructuras de Pavimentos 2002

basada en métodos mecanísticos - empíricos (M-E) y sustentada

en un programa de cómputo

• JPCP (losas con juntas )

• JRCP (losas con refuerzo)

• CRCP (losas continuas con refuerzo)

• PCP (losas pre-esforzadas)

• MÉTODOS EMPÍRICOS

Reglas prácticas

CBR, Kansas, etc.

Esfuerzo cortante límite

Deflexión límite

Regresión basada en el comportamiento

PCA

AASHTO 1993

• MECANÍSTICOS EMPÍRICOS

• Instituto del Asfalto

• SHELL

• AASHTO 2002

• MÉTODOS MECANÍSTICOS

• Soluciones analíticas (Westergaard, etc)

• Soluciones numéricas (elementos finitos,

probabilística, etc)

• La inversión vial en el perú ha sido significativa desde los años

90, recuperando la red nacional, y la red vecinal en una gran

extensión.

• La red Nacional está a cargo de PROVIAS NACIONAL, con varios

tramos concesionados

• La red Departamental a cargo de PROVIAS DESCENTRALIZADO

y los Gobiernos Regionales

• La red Vecinal a cargo de PROVIAS DESCENTRALIZADO y los

Municipios.

• Estructurales: rotura de uno o más componentes del pavimento

• Funcionales: la carretera no es capaz de cumplir su función por

problemas de confort, seguridad o regularidad superficial

(rugosidad)

Fisuras de arriba hacia abajo Deformaciones

• Se desarrolla en la parte inferior de la carpeta asfáltica

• Los gráficos de diseño se elaboraron en base a una mezcla

asfáltica con 11% de asfalto en volumen y 5% de contenido de

vacíos, y se considera falla cuando el 20% del área está fisurada.

Donde:

• Nf: número de repeticiones de carga para producir la falla

• εt: deformación por tensión en la parte inferior de la capa de

carpeta asfáltica

• EAC: Módulo de elasticidad de la carpeta asfáltica

• El ahuellamiento límite debe ser menor a0.50” (12.7 mm)

Donde:

• Nf: número de repeticiones de carga para producirla falla por

ahuellamiento

• εc: deformación compresión en la parte superiorde la subrasante

• AASHTO desarrollo las siguiente ecuación para predecir el

agrietamiento, sin embargo no se utiliza en el diseño:

Donde:

• Dc: es el índice de espesor del fisuramiento

• L: es la carga por eje en kips

Donde:

• SV: Varianza de la pendiente longitudinal x 102 (pulg/ pie),

representa la regularidad del pavimento medida con

perfilómetro.

• RD: Ahuellamiento promedio (pulg).

• C: Superficie agrietada (pie2 /1000 pie2)

• P: Area con baches (pie2 /1000 pie2)

• Condiciones similares al ejemplo anterior:

• Adicionalmente Δpsi=2.0, confiabilidad=90%

• Resultados:

Número estructural requerido=3.98

Carpeta asfáltica:6”

Base granular: 12”

Número estructural pavimento=4.02

• Fisuramiento por fatiga de abajo hacia arriba

• Fisuramiento por fatiga de la superficie hacia abajo

• Fatiga en bases estabilizadas químicamente

• Deformación permanente (ahuellamiento)

• Fisuramiento por temperatura

Donde:

• Nf = Nº de repeticiones de carga

• K’1 = corrección por el espesor del pavimento

• C = factor de ajuste de laboratorio y campo

• εt = deformación tangencial

• E = módulo elástico

• hac = espesor de la carpeta asfáltica

Fisuras de abajo hacia arriba

Fisuras de arriba hacia abajo

Donde:

• Vb=contenido efectivo de asfalto (%)

• Va= porcentaje de vacíos (%)

• Datos similares a los anteriores

• Adicionalmente:

• Nivel de diseño:3

• Tipo de vehículo: 5 con carga de 18,000lb por eje

• Clima moderado

• Condiciones de falla:

Fisuras de abajo hacia arriba : 25% del área

Ahuellamiento total: 0.5”

Donde:

• RDTOTAL = Ahuellamiento Total

• RDAC = ahuellamiento en la carpeta asfáltica

• RDGB = ahuellamiento de las capas granulares

• RDSG = ahuellamiento de la sub rasante

Donde:

• εp = deformación plástica

• εr = deformación resilente

• N = Nº de repeticiones de carga

• T = temperatura

• hac = espesor de la carpeta

• Profund = profundidad del punto de análisis

Donde:

• βBG SG = factor de calibración

• ε = deformación vertical en la capa

• β, ρ, εο = propiedades de los materiales

• N = Nº de repeticiones

• h = espesor de la capa

Donde:

• βBG SG = factor de calibración

• ε = deformación vertical en la capa

• β, ρ, εo = propiedades de los materiales

N = Nº de repeticiones

H = espesor de la capa

Donde:

• Wc = contenido de humedad

• Er = módulo resilente del material

Donde:

• Se : error estandar por tipo de componente

• RD : ahuellamiento al 50% de confialibilidad

• Zp : desviación estándar normal

• En el Perú no existe norma obligatoria para el diseño de

pavimentos, dependiendo de la Entidad y el diseñador se utilizan

los diversos métodos.

• Los métodos más empleados son: AASHTO 93, Instituto del

Asfalto, PCA, y USACE.

• La norma de aceras y pavimentos para el diseño de pavimentos

urbanos está en proceso de elaboración.

• Normas del Ministerio de Transportes y Comunicaciones

DG Normas de diseño geométrico

EG Especificaciones Generales

EM Ensayos de materiales

Manual de diseño de caminos de bajo tráfico pavimentados y

no pavimentados

Proyecto de normas de diseño de pavimentos urbanos

(aceras y pavimentos)

Manual de diseño geométrico de vías urbanas

• Normas ASTM

• Normas AASHTO

• Estudiar las propiedades mecánicas, físicas y químicas del suelo

para la cimentación del pavimento, estructuras viales y

estabilidad de taludes

• Estudiar la factibilidad técnica del alineamiento horizontal y

vertical

• Clasificar los tipos de materiales para corte

• Establecer el nivel freático

• Localizar y caracterizar los materiales de cantera

• Ensayos de laboratorio

• Determinación del suelo

característico de la sub-

rasante

• Selección del valor de

resistencia de diseño del

suelo de fundación

• Reconocimiento: con el objeto de determinar la geología de la

zona y elaborar la hipótesis del suelo (probable perfil)

• Investigación Preliminar: basada en el reconocimiento se ejecuta

un número limitado de sondeos y ensayos para verificar la

hipótesis del subsuelo

• Investigación definitiva: Permite determinar los valores finales

de resistencia y estratigrafía para el diseño del pavimento

• Efectuar una revisión de la información topográfica y geológica

de la zona

• Selección de los tramos de diseño en base a las características

geológicas, topográficas y de drenaje.

• Realizar un programa de exploración con excavaciones

espaciadas de acuerdo al tipo de proyecto y condiciones del

suelo de fundación (variando de 50 m en zonas urbanas a 150-

450 m en carreteras) a una profundidad no menor a 1.50 m del

nivel de la sub rasante.

• Efectuar las excavaciones o perforaciones mediante:

Calicatas

Trincheras

Perforaciones con posteadora

Perforaciones con diamantina

• Tomar muestras representativas alteradas e inalteradas

Tubos de pared partida

(muestreador SPT)

Tubos de pared delgada

(shelby)

• Clasificar los suelos de acuerdo al Sistema AASHTO o SUCS

• Determinar el perfil estratigráfico de suelos

• Realizar ensayos de relación densidad-humedad (proctor

modificado)

• Examinar los registros de perforación, los perfiles estratigráficos

y los ensayos de clasificación, y seleccionar muestras

representativas para los ensayos de resistencia como el CBR,

Triaxial de Texas o Módulo de resilencia

• Usando el perfil estratigráfico seleccionar el módulo resilente de

diseño.

• Laboratorio:

CBR (Relación soporte California)

Módulo de resilencia

Triaxial de Texas

• Campo

Ensayo de carga directa sobre placa

FWD (Deflectometría de impacto)

Cono de penetración

Módulo de reacción de subrasante (k)

• s: presión que transmite placa al suelo

• D: deformación fijada previamente

• Ensayos de caracterización:

Contenido de humedad

Análisis granulométrico

Límite líquido y plástico

Peso específico

Compactación

Densidad de campo

Permeabilidad