BASE

La base es una capa resistente, formada de suelo granular seleccionado o estabilizado. Se construye generalmente sobre la subbase. Su funcin principal es la de soportar y transmitir adecuadamente las cargas de los vehculos que le impone a travs de la carpeta asfltica y distribuir los esfuerzos recibidos en magnitudes adecuadas a las capas inferiores, a fin de evitar deformaciones perjudiciales.

Otras funciones de la base son:

Servir de soporte uniforme a la capa de rodamiento.

Disminuir la intensidad de las cargas a las capas inferiores.

Tomar gran parte de los esfuerzos ocasionados por el trnsito.

Repartir uniformemente los esfuerzos a la subbase.

Antes de iniciar la construccin de la base, se debe verificar que la gradacin propuesta de los materiales de esta capa, est dentro de los lmites especificados en la Tabla 1.3, con una variacin uniforme de los tamaos gruesos a los finos. Sus condiciones de limpieza dependen del uso que se vaya a dar al material.

Los materiales utilizados como base, deben cumplir las especificaciones indicadas en la Tabla 1.4.

CAPA DE RODADURA

La capa de rodadura se coloca sobre la base y est constituida, en los pavimentos flexibles por una capa o serie de capas de materiales granulares seleccionados ligados con asfalto, llamado concreto asfltico y en los pavimentos rgidos est constituida por una losa de concreto hidrulico.

Su funcin primordial ser proteger la base impermeabilizando la superficie, para evitar as posibles infiltraciones de agua que podran saturar parcial o totalmente las capas inferiores.

Debe presentar una textura superficial adaptada a las velocidades previstas de circulacin de los vehculos, por cuanto ella tiene una decisiva influencia en la seguridad vial. Adems, debe ser resistente al desgaste producido por el efecto abrasivo de las llantas de los vehculos.

Otras funciones de la carpeta de rodadura son:

Presentar regularidad superficial, transversal como longitudinal, que permitan una adecuada comodidad a los usuarios en funcin de las longitudes de onda de las deformaciones y de la velocidad de circulacin.

El ruido de rodadura, en el interior de los vehculos que afectan al usuario as como en el exterior, que influye en el entorno, debe ser adecuadamente moderado.

Debe poseer el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramientos, y ofrecer adecuada seguridad el trnsito.

COMPONENTES ESTRUCTURALES DE UN PAVIMENTO

El pavimento debe soportar las cargas impuestas por el trnsito dentro de un nivel razonable de deterioro; su resistencia es proporcionada por las capas de materiales que lo conforman. Dentro de la resistencia de los materiales influyen las propiedades mecnicas de ellos, el contenido de humedad y la interaccin con los efectos de intemperie.

Puesto que los esfuerzos en un pavimento decrecen con la profundidad, se debern colocar los materiales de, mayor capacidad de carga en las capas superiores, siendo de menor calidad los que se colocan en las terraceras adems de que son los materiales que ms comnmente se encuentran en la naturaleza, y por consecuencia resultan los ms econmicos.

DEFINICIN DE PAVIMENTO

Pavimento es una capa o conjunto de capas de materiales seleccionados, comprendidas entre la subrasante y la superficie de rodamiento o rasante. El pavimento tiene como funciones proporcionar una superficie de rodamiento uniforme, resistente a la accin del trnsito y del clima, as como transmitir en forma adecuada a la subrasante los esfuerzos generados por las cargas del trnsito. (FERNANDO SNCHEZ SABOGAL, Pavimentos, 1984 Pg.5)

El peso de los vehculos se transmite al pavimento a travs de sus llantas. Lo normal en el diseo de pavimentos es considerar el peso de los ejes, que pueden tener dos o cuatro llantas. El pavimento es quien soporta estos pesos, por tal razn se han implantado algunos mtodos de diseo que tienen en cuenta dichas caractersticas de los ejes. Las cargas difieren mucho de una carretera a una aeropista, tanto en su peso como en su geometra.

Las condiciones necesarias para un adecuado funcionamiento son las siguientes: anchura, trazo horizontal y vertical, resistencia adecuada a las cargas para evitar las fallas y los agrietamientos, edemas de una adherencia adecuada entre el vehculo y el pavimento aun en condiciones hmedas. Deber presentar una resistencia adecuada a los esfuerzos destructivos del transito, de la intemperie y del agua. Debe tener una adecuada visibilidad y contar con un paisaje agradable para no provocar fatigas.

FACTORES QUE SON AFECTADOS EN EL DISEO Y CONSTRUCCIN

Cualquiera que sea el tipo de pavimento que se considere, existen muchos factores que afectan su diseo, construccin y comportamiento entre los que se encuentran: la influencia del sitio de la obra, tipo de material y suelos de la subrasante, clima y trnsito.

INFLUENCIA DEL CLIMA

Este aspecto hace relacin al conjunto de factores atmosfricos de una regin geogrfica determinada que afecta directamente a los pavimentos que se encuentran en su jurisdiccin, como son los regmenes de lluvias, los valores medios de temperatura, humedad, presin y vientos entre otros.

Las condiciones climticas son en ocasiones difciles de valorar, puesto que deben evaluarse de acuerdo con estudios estadsticos; adems, es difcil predecir el comportamiento del clima durante toda la vida til del pavimento.

Rgimen de lluvias

Las lluvias tienen gran influencia debido a su accin directa sobre el pavimento, adems de provocar la elevacin del nivel fretico aumentando notoriamente el contenido de humedad, modificando las caractersticas iniciales de resistencia del suelo.

El rgimen de lluvias determina las caractersticas de las obras de drenaje que se deben disear y construir.

Afecta tambin el programa de construccin del pavimento puesto que hay operaciones como el movimiento de tierras y la colocacin de capas asflticas que solo se pueden realizar correctamente en pocas de verano.

Los meses lluviosos pueden aprovecharse para la produccin y almacenamiento de los agregados.

La temperatura

Los cambios de temperatura producen en las losas de los pavimentos rgidos esfuerzos que en ocasiones son mayores que los causados por la accin de los vehculos, causando bastantes fallas.

Los cambios de temperatura en los pavimentos flexibles influye debido a que el asfalto tiene una gran susceptibilidad al calor, es de esperar que el aumento de temperatura produzca una disminucin en el mdulo de elasticidad de las capas asflticas las cuales pueden sufrir deformaciones molestas para los usuarios. Por esta razn la estabilizacin de las mezclas asflticas debe estar acorde con la temperatura media del lugar de construccin.

INFLUENCIA DEL TIPO DE MATERIAL Y SUELO DE LA SUBRASANTE

Por muy alta calidad que tenga un pavimento si la estructura de apoyo del mismo es de muy bajo comportamiento (resistencia), se presentarn en aquellas deficiencias muy difciles de corregir posteriormente. Si el suelo de la subrasante es de excelente calidad estar a favor del desarrollo de la obra en cuanto a la agilidad de construccin y reduccin de costos.

Para garantizar la estabilidad de la estructura se deben efectuar cuidadosos estudios previos con el fin de prever los posibles problemas y dar las soluciones ms favorables en cada caso.

Algunos casos tpicos del tipo de suelo presente en la subrasante se mencionan a continuacin.

Los suelos de fundacin que se consideran psimos son aquellos que tienen un alto contenido de materia orgnica.

Los suelos malos contienen un alto contenido de materiales finos como arcillas y limos.

Las subrasantes regulares estn formadas por suelos bien gradados de granulometra gruesa.

Los suelos de excelente calidad tienen una alta capacidad de soporte y sin posibilidad de sufrir saturacin.

Los suelos con alto contenido de material orgnico deben ser retirados y reemplazados por un material de cantera de mejor calidad.

Un caso especial es el del tratamiento que se le deben dar a las subrasantes conformadas por arcillas expansivas, que se caracterizan por cambiar de volumen de acuerdo con su contenido de agua. Estos cambios de volumen pueden provocar importantes daos en las estructuras que se construyan sobre ellas. Por lo tanto al construir pavimentos sobre este tipo de suelos, deben impedirse al mximo las variaciones de la humedad del suelo con el fin de evitar los cambios de volumen, lo cual se puede lograr impermeabilizando totalmente la estructura.

Un tratamiento especial al suelo con algn aditivo qumico que modifique sustancialmente las propiedades de este tipo de arcillas puede ser otra solucin a este problema. Los mejores resultados se han logrado mediante la estabilizacin de suelos con cal.

INFLUENCIA DEL SITIO DE LA OBRA

Tanto el diseo como el proceso constructivo y el comportamiento del pavimento, se ven afectados por una serie de factores que dependen de la ubicacin de la obra vial, entre los que se encuentran las secciones en corte, las secciones en terrapln y la posicin del nivel fretico.

Secciones en corte

Si las especificaciones del diseo indican que se deben ejecutar cortes demasiado grandes, la construccin se afecta por los elevados costos que implica la remocin y transporte del material extrado, adems de aumentar notablemente la construccin de obras de drenaje adecuadas para proteger los taludes y la banca de la va.

Cuando los cortes se hacen en material rocoso la labor de construccin se hace ms difcil y costosa, ya que en ocasiones se requiere de equipos sofisticados o en su ausencia altos volmenes de explosivos.

En la construccin de autopistas, carreteras o vas urbanas, los cortes que se hagan en colinas o cerros, debern estudiarse cuidadosa y detalladamente, a fin de evitar deslizamientos que constituirn grave peligro para los usuarios, ocasionarn frecuentes interrupciones de trnsito y causarn grandes erogaciones de dinero, haciendo cada vez ms costoso el mantenimiento de la va.

La costumbre de hacer los cortes, adoptando taludes sin el previo anlisis de los materiales y sin hacer un estudio previo de su estabilidad, slo podra justificarse en caso de que se cuente con una informacin muy amplia acerca del comportamiento de otros taludes, de corte, en zonas donde la formacin geolgica y las propiedades fsicas de los materiales sean prcticamente idnticos.

Es importante insistir en la necesidad de analizar los materiales que forman los cerros o colinas que se vayan a cortar, haciendo los sondeos necesarios, hasta las profundidades requeridas, extrayendo muestras de los suelos y rocas para su clasificacin litolgica y determinacin de sus propiedades fsicas. En base a los resultados de los ensayos efectuados, se elaborarn los perfiles estratigrficos correspondientes y se proceder a calcular la estabilidad de los taludes.

El diseo de taludes, en base a los clculos de estabilidad que se lleven a cabo, deber complementarse con un adecuado sistema de drenaje y mediante una reforestacin racional.

Secciones en terrapln

Estas secciones se conforman cuando es necesario colocar material de cantera sobre el terreno natural (terreno de fundacin) para obtener la cota de subrasante especificada.

En los casos en que es necesario construir terraplenes, se presenta un incremento en los costos debido a la compra y transporte de materiales de cantera, los estudios del terreno de fundacin, adems a la construccin de obras especiales de drenaje para proteger los taludes de la estructura del pavimento, y de otra parte el incremento en los costos directos que se crecen por el aumento en el tiempo de construccin.

Posicin del nivel fretico

Este es un factor muy importante en el comportamiento de un pavimento, ya que un nivel fretico muy cercano a la superficie indica condiciones altas de humedad en la subrasante y por lo tanto baja resistencia de sta.

Las normas establecen que el nivel ms bajo de la estructura del pavimento debe quedar por lo menos 60 centmetros por encima del nivel fretico. Si en el terreno esto no sucede es conveniente establecer la construccin de obras de subdrenaje que logren bajar el nivel del agua. Es de resaltar que la presencia del agua en la estructura de un pavimento es altamente nociva y que por lo tanto el control de esta dar excelentes condiciones de funcionalidad y duracin de un pavimento.

INFLUENCIA DEL TRNSITO

Se conoce como trnsito al conjunto de vehculos que circulan por una obra vial y los cuales producen la mayor parte de los esfuerzos a que va estar sujeta la estructura. Las caractersticas del trnsito son muy variadas y cada una de ellas afectan de alguna manera el diseo y comportamiento del pavimento. El trnsito influye en los pavimentos de acuerdo al peso de los vehculos, disposicin de las llantas de los vehculos y a la configuracin de los ejes de los mismos, adems de los pesos de cada uno de stos.

Peso de los vehculos

Se distinguen 2 tipos de vehculos para efectos del diseo de pavimentos de carreteras. Los vehculos de carretera que transmiten cargas hasta de 52 toneladas, distribuidas sobre 2, 3, 4, 5 ejes, estos son los llamados vehculos comerciales que corresponden a los buses, camiones y remolques. El otro tipo de vehculo corresponde a los automviles que pesan hasta 4 toneladas y que se consideran que no producen dao alguno a la estructura del pavimento.

En aeropuertos comerciales las aeronaves transmiten las cargas a travs de su tren de aterrizaje y estas pueden variar desde 11.5 toneladas que pesa un D-C3 hasta 350 que pesa un Boeing 747. Estas aeronaves por lo general tienen distribuida su carga en un 90 a 95 por ciento en el tren principal y el resto en su rueda de nariz.

Disposicin de las llantas

Tanto los vehculos para carretera como las aeronaves presentan tres arreglos tpicos de sus llantas: sistema simple, doble o dual y sistema tndem doble. Los ltimos tipos de remolques que han salido al mercado disponen de un arreglo del tipo triple.

El sistema de disposicin de las llantas en un vehculo es muy importante en el diseo de un pavimento, por que en un punto bajo l se generan esfuerzos y deformaciones causadas por las cargas que transmiten los vehculos a travs de sus llantas.

Cargas por eje

Para el diseo de pavimentos se considera el peso de cada eje del vehculo. En Colombia y en otros pases se ha establecido que el eje de diseo es el eje sencillo de 8.2 toneladas. Para ejes tndem es de 14.5 toneladas y ejes triples 18.0 toneladas.

Nmero de ejes en el periodo de diseo

Consiste en cuantificar la cantidad de ejes de diseo que utilizaran el pavimento durante su vida til, puesto que entre mayor sea la cantidad, mayor ser el espesor requerido de l.

Este nmero es muy diferente segn se trate de una carretera o de una aeropista.

El perodo de diseo vida til con la cual se disea un pavimento es generalmente de 20 a 25 aos y el crecimiento anual del nmero de vehculos que transitan se considera en una tasa del 2 al 8 por ciento. En aeropuertos se cuantifica el nmero de decolajes de los aviones y el perodo de diseo es de 20 aos.

SUBBASE

La subbase es una capa de materiales seleccionados, comprendida entre la subrasante y la base, que tiene como funciones, transmitir en forma adecuada a la subrasante los esfuerzos que el trnsito le impone a travs de la base, formar una capa de transicin entre los materiales finos de la subrasante y los gruesos de la base de modo que evite la contaminacin e interpenetracin de ellos. Tambin tiende a abaratar los costos de construccin de la estructura.

El material de la base puede ser arena, grava, escoria de altos hornos o residuos de cantera en explotacin.

Antes de iniciar la construccin de la subbase, se debe verificar la gradacin propuesta de los materiales de esta capa, que estar dentro de los lmites especificados en la Tabla 1.1, con una variacin uniforme de los tamaos gruesos a los finos.

Los materiales utilizados como subbases deben cumplir las especificaciones mostradas en la Tabla 1.2

SUBRASANTE

Se le llama subrasante a la capa de material que se coloca en la parte superior de un terrapln en un corte. La subrasante esta formada generalmente por el mismo suelo. Su funcin es la de servir como apoyo a las capas superiores y, adems, soportar las cargas que le transmiten los vehculos, que no pueden ser absorbidas por las otras capas. Como parmetro de evaluacin de esta capa se emplea la capacidad de soporte o resistencia a la deformacin por esfuerzo cortante bajo las cargas del trnsito.

En ocasiones por las caractersticas del material existente y sus psimas propiedades mecnicas, la subrasante puede ser conformada por material adicionado, gradado y compactado, sobre el cual se construir un pavimento. Es la primera etapa del proceso constructivo seguido de la construccin de una capa de base y/o sub-base granular y la carpeta de rodadura.

Fuente: INVIAS, Tomo IV

Tabla 1.1 Gradacin de los materiales de subbase

Fuente: Adaptado de las especificaciones Generales de Construccin de Carreteras del INVIAS

Tabla 1.2 Especificaciones de los materiales de Subbase

Fuente: INVIAS, Tomo IV

Tabla 1.3 Gradacin de los materiales de base

Fuente: Adaptado de las especificaciones Generales de Construccin de Carreteras del INVIAS

Tabla 1.4 Especificaciones de los materiales de Base

TIPOS DE PAVIMENTO

En forma general se conocen dos tipos de pavimentos que son los flexibles (Figura 1.1) y los rgidos (Figura 1.2), aunque existen pavimentos de adoqun, de piedra y de ladrillo, conocidos como articulados.

Figura 1.1 Elementos estructurales de un pavimento flexible

Figura 1.2 Elementos estructurales de un pavimento rgido

El pavimento flexible se utiliza generalmente en carreteras que comunican a poblaciones y en la mayora de las calles y avenidas de las grandes ciudades, su construccin es sencilla y los materiales que se usan son de fcil adquisicin.

Este pavimento permite deformaciones al paso de los vehculos sin presentar fallas.

El pavimento rgido es aquel en el que se utiliza como capa de rodadura una losa de concreto muy rgida y resistente, la cual puede tener o no refuerzo de acero. Esta se funde sobre la capa de sub-base omitiendo en este caso la base.

En los pavimentos rgidos, la losa de concreto, por su rigidez, tiene un comportamiento estructural de viga.

Los pavimentos articulados para uso vehicular estn compuestos por una capa de rodadura elaborada con bloques de concreto prefabricados, llamados adoquines, de espesor uniforme e iguales entre s. Esta puede ir sobre una capa de base granular o directamente sobre la subrasante, dependiendo de la calidad de sta ltima y la magnitud y frecuencia de las cargas que circulan en dicho pavimento.

Algunos autores dan un cuarto tipo de clasificacin, llamados semi-rgidos o semi-flexibles, que es aquel, que conservando la estructura esencial de un pavimento flexible, tiene una o ms de sus capas rigidizadas artificialmente. Los agentes estabilizantes ms comnmente empleados para ridigidizar las capas de materiales de suelo son el cemento, la cal, el asfalto, las emulsiones, aceites sulfanados, etc.

El elegir entre la construccin de uno u otro tipo est en funcin primordialmente de los costos y la disponibilidad de los materiales en la zona de construccin.

CARGAS EQUIVALENTES PARA EL DISEO DE PAVIMENTOS

La carga estndar para el diseo de pavimentos flexibles, aceptada en Colombia es el eje simple de 8.2 toneladas (18000 libras). El efecto de cargas diferentes a sta se tiene en cuenta para el diseo aplicando los llamados factores de equivalencia de carga por eje, los cuales se obtienen con base en los resultados del AASHTO, dichos resultados permiten considerar que de manera aproximada la equivalencia entre cargas distribuidas para el mismo sistema de rueda y eje puede expresarse como las relaciones mostradas a continuacin:

Fs : Factor para eje simple

Ft : Factor para eje tndem

Ftr : Factor para eje triple

Ls : Carga por eje simple

Lt : Carga por eje tndem

Ltr : Carga por eje triple

El procedimiento a seguir en el diseo de pavimentos rgidos es diferente, ya que el concreto acepta limitadas aplicaciones de carga, el procedimiento consiste, en estimar las repeticiones de las diversas cargas por eje durante el periodo de diseo y compararlas con las que soporta el concreto segn las relaciones de esfuerzo, verificando el consumo de fatiga durante dicho perodo.

Ejemplo 1

CLASIFICACIN DE LOS VEHCULOS

La oficina de planeacin del Ministerio de Transporte (Colombia) tiene la siguiente terminologa para los vehculos que circulan en el pas.

A = vehculo liviano B = bus C = Vehculos ms de dos toneladas

La clasificacin del tipo de vehculo de acuerdo con el nmero y disposicin de sus ejes tiene la nomenclatura de la figura 3.1.

En Colombia las cargas de acuerdo con el tipo de vehculo se encuentran reguladas por medio de la resolucin 007830 del 16 de septiembre de 1985 del Ministerio de Obras Pblicas y Transporte (hoy Ministerio de Transporte). En dicha resolucin se encuentran consignados los pesos mximos que son permitidos para cada tipo de vehculo comercial. Con base en estos pesos mximos permitidos y la geometra de cada vehculo, se puede determinar, de manera aproximada la carga mxima que transmiten los ejes al pavimento.

La resolucin indica que las mximas cargas por eje, que pueden circular por las carreteras colombianas son:

Eje sencillo = 11 toneladas

Eje tndem = 22 toneladas

Eje triple = 24 toneladas

Esquema de los vehculos pesados

CRECIMIENTO DEL TRNSITO

El comportamiento del transito en un va pude permanecer constante o segn una ecuacin matemtica. En algunos casos las autopistas o las vas que forman parte de un sistema troncal de comunicacin, pueden tener un crecimiento similar al que se presenta con el dinero colocado a inters compuesto. En vas de menor importancia o en reas donde el crecimiento poblacional o comercial es difcil, el trnsito puede crecer en forma lineal, no hacerlo como ocurre con algunas vas de carcter netamente residencial o inclusive en ciertas reas no urbanizadas donde se presenta un rata de crecimiento negativa al desarrollarse el transito de vehculos mayor en la etapa de construccin que en su operacin normal.

Debido a las condiciones especficas del desarrollo de cada zona, la rata y la forma de crecimiento diferentes para cada componente del trnsito; por ello es deseable establecer un modelo para cada uno de los grupos vehiculares (autos, buses y camiones), y as no cometer imprecisiones importantes.

Adems del crecimiento normal del transito debido al incremento de la poblacin y del mayor uso de los vehculos, hay que considerar el trnsito atrado por causa de las mejoras en el pavimento y el generado, que aparece como consecuencia del desarrollo econmico y social, como influencia del proyecto de pavimentacin.

Modelos de Crecimiento

Con base en registros existentes se pueden establecer modelos de crecimiento para realizar el estimativo del trnsito futuro. Entre los ms conocidos estn:

Donde:

a,b,c : Son constantes definidas en registros previos

x : El ao para el cual se hace el estimativo

y : El estimativo del transito para el ao x

CUANTIFICACIN DEL TRNSITO

Los datos necesarios para cuantificar el trnsito existente se debe recolectar con base en los procedimientos de la Ingeniera de Trnsito. La informacin que se necesita es la siguiente: El trnsito diario promedio semanal (TDPS): determinado por el Nmero, tipo y peso de los ejes de los vehculos pesados. El cual se puede calcular en forma directa, por medio del aforo que consiste en el conteo de los vehculos, que se hace utilizando un grupo de personas o mediante contadores automticos, los cuales adems de pesar los ejes determinan la cantidad de los vehculos livianos y comerciales.

DETERMINACIN DEL FACTOR CAMIN

Se entiende por factor camin el nmero por el cual debe multiplicarse cualquier cantidad de vehculos comerciales para convertirlos a ejes simples equivalentes de 8.2 toneladas.

Para determinar este factor se debe efectuar el pesaje de los ejes de los vehculos comerciales como ya se mencion anteriormente.

Ejemplo 2

El factor camin es la suma de los factores de equivalencia de cada uno de los ejes.

Ejemplo 3

Determinacin del factor camin cuando se tiene una estacin de pesaje

Este factor camin se determina para un grupo de vehculos que han sido pesados en ambos sentidos de la va, para un tiempo determinado de conteo. Para efectuar los clculos se desarrolla la tabla 3.1, tomada del libro Ingeniera de Pavimentos para carreteras, del Ingeniero Alfonso Montejo Fonseca.

La forma de realizar los clculos de la tabla 5.1 para la determinacin del factor camin es la siguiente:

En la columna de la izquierda se agrupan las cargas por eje de acuerdo a su tipo, en rangos de una tonelada.

En las columnas (1) a (7) se colocan los valores obtenidos en el terreno. La sumatoria de los valores de la columna (1) es de 6750 ejes simples que corresponden a un total de 3375 camiones pesados, de acuerdo con la configuracin de sus ejes. As mismo la columna (2) presenta un total de 1852 ejes simples que corresponden a 926 buses pesados.

La columna (3) es la suma de la (1) y (2) rengln por rengln.

El ltimo valor de la columna (8) corresponde al total de camiones pesados, al igual que la (9) corresponde al total de buses pesados.

La columna (10) se obtiene dividiendo cada uno de los valores de la columna (8) por el total de camiones pesados, o sea, 3.581 y multiplicado por mil.

La columna (11) resulta de dividir cada uno de los valores de la (9) entre el ltimo valor de la misma columna, que tiene un valor de 4.507 y multiplicado por mil.

La columna (12) corresponde a los factores de equivalencia de carga por eje determinados por la AASHTO Road Test. De Estados Unidos. (Estos valores ya son estandarizados).

La columna (13) es la multiplicacin de los camiones de la columna (10) por los factores de equivalencia de la columna (12). Igual sucede en la columna (14).

El factor camin es la sumatoria de la columna (14) dividida por mil, que para el caso es 2.38. Esto indica que la circulacin sobre el pavimento de la carretera en estudio de un vehculo comercial, produce en l un dao equivalente al que producir el paso de 2.38 ejes simples de 8.2 toneladas.

Figura 0.2

Medida de acuerdo a las caractersticas de los vehculos

Cuando no se disponen de equipo para medir el peso por eje, se puede recurrir a este mtodo aproximado para obtenerlo. Consiste en identificar los vehculos por marca, tipo y modelo y de acuerdo con los catlogos de los fabricantes asignarle a los ejes los pesos all especificados.

EFECTO DE LA DISTRIBUCIN TRANSVERSAL DEL TRNSITO

Al transitar los vehculos por una carretera lo hacen siguiendo cierta canalizacin en la seccin transversal de ella, razn por la cual una misma seccin transversal no estar sujeta a las mismas condiciones de repeticiones de esfuerzos. La zona en que es mayor la distribucin de esfuerzos depende de la seccin considerada, de la geometra y de la disposicin de las ruedas de los vehculos que circulen por l.

En pavimentos de carreteras el trnsito est en extremo canalizado, de manera que las ruedas exteriores de los vehculos circulan a una distancia del borde del pavimento que oscila entre 0.60 y 0.90 m. de acuerdo a su ancho total, motivo por el cual cada paso de un vehculo se considera como una repeticin de carga para efectos de diseo.

En los aeropuertos la posicin de las aeronaves en el pavimento depende del tipo de seccin que se considere, sea plataforma (lugar de espera de las aeronaves), carreteo (parte de la pista por donde se desplazan los aviones a baja velocidad) o ya sea la pista principal.

Debido a la ajustada canalizacin de los vehculos en carreteras, esto hace que el nmero de repeticiones durante la vida til sea muy elevado, consideracin que es valida tambin en vas de varios carriles.

En el caso de la pista principal de un aeropuerto, por el contrario, la distribucin de las cargas de los aviones en la seccin varia ampliamente, debido a que una operacin de decolaje o de aterrizaje tiene un gran espacio para poderse efectuar, por lo tanto una repeticin se efectuar cuando un avin realice una operacin exactamente en el mismo punto en donde se hizo uno anterior. De ah que en las pistas las repeticiones de carga sean mucho menores. Estudios realizados al respecto indican que la mayora de las repeticiones de cargas se efectan en los 24 metros centrales de la pista, que es el espacio donde generalmente los pilotos se centran para efectuar una operacin. Por la anterior razn se colocan mayores espesores de pavimento en las zonas en donde esta mas canalizado el transito y en aquellas en donde stas circulan a baja velocidad o se encuentran detenidas.

Para el diseo de pavimento de aeropistas se diseara la parte central llamada zona crtica y en los extremos el espesor ser un porcentaje de ste.

Figura 2 - 1 Seccin transversal tpica de una aeropista, distinguiendo la zona crtica

EFECTO DE LA REPETICIN DE CARGAS

Debido al movimiento de las cargas que aplican los vehculos sobre la estructura del pavimento, cualquier punto de ste se encuentra sometido a la aplicacin de un nmero determinado de esfuerzos durante su vida.

En el caso de pavimentos flexibles, la aplicacin de cargas mviles produce deformaciones transitorias tanto en su estructura como en la subrasante, cuyo efecto depende no solo de la carga sino del efecto de la temperatura y la humedad. Si en algn momento la deformacin transitoria supera su valor crtico en una o ms capas de la estructura o en la subrasante, se supone que sta deformacin no se recupera y permanecer luego del paso del vehculo. A travs de la vida til del pavimento estas deformaciones se van acumulando, las cuales con el paso del tiempo se manifiestan con agrietamientos o deformaciones de la superficie de rodamiento.

En el caso de pavimentos rgidos, las losas de concreto estn sujetas al fenmeno de fatiga, que consiste en la rotura del concreto por la aplicacin repetida de esfuerzos de tensin que son inferiores al mdulo de rotura del concreto.

Para evitar las deformaciones acumuladas por la aplicacin repetida de cargas, es necesario que el Ingeniero tome las precauciones necesarias para evitar que las deformaciones del pavimento alcancen niveles exagerados.

Los mtodos actuales de diseo tratan de prevenir la estructura contra deformaciones permanentes excesivas.

El fenmeno de fatiga es menos frecuente en pavimentos flexibles, ya que en ellos generalmente las fallas por deformaciones permanentes aparecen primero que las fallas por fatiga.

Otro fenmeno que se presenta en las capas del pavimento debido al efecto de la repeticin de cargas es la interpenetracin de partculas, que se produce cuando las capas de base o subbase de granulometra generalmente gruesa, se apoyan directamente sobre suelos muy finos. El fenmeno consiste en que es muy posible que el material fino se vaya incrustando dentro de los espacios vacos que deja el material grueso, lo que trae como consecuencia que el comportamiento mecnico de las capas de material grueso difiera totalmente del proyectado inicialmente, reducindose de esta manera la vida til del pavimento. Este fenmeno es muy comn evitarlo mediante la utilizacin de geotextil especial para el caso, el cual impide la contaminacin del material de base o subbase ya que este no permite el paso de las partculas finas.

En los pavimentos rgidos, por la accin repetida de cargas en la subbase se presenta el llamado efecto de bombeo que consiste en la expulsin del material por las juntas de las losas de concreto por la presencia del agua, causando el descascaramiento de las losas y el agrietamiento de las mismas.

EJEMPLO 1

Determinar el factor de equivalencia de un eje tndem que pesa 22.0 toneladas, con relacin a uno de las mismas caractersticas y para un eje simple que pesa 2.5 ton.

Solucin

Significa que el eje tndem de 22 toneladas produce en la estructura el mismo efecto que si se aplicara una carga de 14.5 toneladas 5.30 veces.

El eje simple de 2.5 toneladas, causa un efecto de 0.0086 veces la aplicacin de una de 8.2 toneladas.

EJEMPLO 2

Solucin

Eje 1

Eje 2

EJEMPLO 3

Eje 1

Eje 2

Eje 3

El factor camin es 2.73. Significa que ste remolque causa en el pavimento un efecto de 2.73 veces, que si pasara un remolque estndar de las mismas caractersticas.

ESFUERZOS DEBIDOS A CARGAS DE TRNSITO

Los esfuerzos que provocan las cargas de los vehculos sobre las losas del pavimento son principalmente de flexin. La magnitud de dicho esfuerzo depende del espesor de la losa, de las caractersticas del concreto (mdulos de Poisson y de elasticidad), de la capacidad de soporte del material de sub-base y de subrasante, y finalmente de la magnitud, distribucin y localizacin de las cargas de las ruedas. En 1926 H.M. Westergaard public las ecuaciones obtenidas de sus estudios, las cuales se basaron en ciertas hiptesis simplificadoras y considerando tres posiciones para la localizacin de las cargas de la rueda las cuales son:

Carga aplicada cerca de la esquina de una losa rectangular y a la cual se le llama carga de esquina.

Carga aplicada cerca de un borde longitudinal o transversal pero lejos de la esquina llamada carga de borde.

Carga aplicada lejos de los bordes se denomina carga interior.

Para una carga dada, el mayor esfuerzo se produce en la esquina y el menor en el interior. En la Figura 2.3 se muestra los diferentes casos de distribucin de carga.

Aqu se muestra la distribucin de trfico y presenta tres posiciones de los ejes sencillos y tndem, en ellos se muestran los casos 1, caso 2 y caso 3, los cuales permiten crear un criterio para escoger la posicin de la carga para el diseo.

Figura 2.3 Casos de distribucin de carga

El caso uno muestra un eje sencillo o tndem localizado en el borde de una junta transversal y en el punto de mayor frecuencia de aplicacin de carga y el caso dos un eje en el borde exterior del pavimento; el caso tres es similar al caso dos pero con las ruedas desplazadas 15 centmetros hacia adentro del borde del pavimento.

Debido a que el ancho de carril que se construye en la actualidad se aproxima a un ancho de 3.65 mts, el esquema permite concluir (en caso de que H sea 3,65 mts) que este carril estara diseado para el caso uno. En pavimentos ms estrechos o en aquellos donde el trfico circula por el borde de la calzada, como puede ser en glorietas o pisos industriales es necesario verificar los esfuerzos de borde del caso dos y tres.

ESFUERZOS EN PAVIMENTOS FLEXIBLES

Existen en general dos clases de estructuras de pavimento, los flexibles y los rgidos; la principal diferencia entre estos es la forma como reparten las cargas. Desde el punto de vista de diseo, los pavimentos flexibles estn formados por una serie de capas y la distribucin de la carga est determinada por las caractersticas propias del sistema de capas. Los rgidos tienen un gran mdulo de elasticidad y distribuyen las cargas sobre un rea grande, la consideracin ms importante es la resistencia estructural del concreto hidrulico.

ESFUERZOS EN PAVIMENTOS RGIDOS

Los esfuerzos a los que se encuentra sometido un pavimento rgido son originados especialmente por las cargas que le implantan los vehculos, los cambios bruscos de temperatura y el cambio del volumen de la capa de apoyo por sus cambios en el contenido de humedad.

ESFUERZOS EN SISTEMAS DE TRES CAPAS

Los ms modernos mtodos de diseo de pavimentos flexibles, aplican teoras elsticas sobre distribucin de esfuerzos en sistemas de tres capas y consideran que la falla del pavimento ocurre cuando se presenta una elevada deformacin de la estructura o cuando se observan agrietamientos en la capa superior asfltica.

Cuando hay una elevada deformacin se considera que el esfuerzo normal sobre el suelo de subrasante no debe superar lo lmites permitidos por sta, mientras que si hay agrietamiento, se produce cuando el esfuerzo y, por consiguiente, la deformacin mxima admisible por traccin en la fibra inferior de las capas asflticas, es excedido a causa de la flexin repetida de estas capas bajo las cargas repetidas del trnsito.

En la figura 2.1 se ilustra la distribucin de esfuerzos en un sistema de tres capas de suelo.

Figura 2.1 Distribucin de esfuerzos en un sistema de tres capas de suelo

Los valores crticos que se deben verificar para evitar las deformaciones mas altas de las permitidas son: la deformacin especifica de traccin (psilon 1) en la fibra inferior de las capas asflticas y los esfuerzos de compresin de las subrasante. (sigma 2).

La deformacin psilon 1 se obtiene aplicando la siguiente frmula:

Donde:

Y el esfuerzo vertical sigma 2 se obtiene a partir de la expresin que se muestra a continuacin:

ESFUERZOS EN SISTEMAS DE VARIAS CAPAS

Como un primer anlisis para determinar la distribucin de esfuerzos en un pavimento se aplic el modelo propuesto por el matemtico francs Boussines en 1885, estado de esfuerzos en una masa de suelo a cualquier profundidad; el estudio del matemtico se bas en una carga concentrada aplicada en un semiespacio lineal, elstico, istropo y homogneo; los esfuerzos, deformaciones y deflexiones debidos a la carga concentrada pueden ser extrapolados para obtener aquellas debidas a una rea circular cargada.

Esta solucin fue por mucho tiempo la nica disponible, hasta que en 1945 Donald M. Burmister propuso una teora que se poda aplicar a estructuras de pavimentos, basada en la de Boussinesq pero que tenia en cuenta estratos y las propiedades mecnicas de los materiales que conforman la masa de suelo, para calcular el estado de esfuerzos de sta a cualquier profundidad. Desde el punto de vista del estudio de pavimentos, el modelo de Burmister puede ser usado para determinar los esfuerzos, deformaciones y deflexiones en la subrasante si la relacin de mdulos del pavimento y la subrasante es cercana a la unidad; si no es as, la modelacin es ms compleja.

Analticamente es un procedimiento ms complejo que los basados en el primer modelo, que se poda solucionar con ecuaciones relativamente fciles; el modelo de Burmister introduce transformadas de Fourier que requieren funciones de Basel para su solucin y que sin la ayuda de un programa de computador no se pueden modelar estructuras de ms de dos capas.

ESFUERZOS OCASIONADOS POR CAMBIOS DE TEMPERATURA

El pavimento en servicio est sometido entre otras acciones a la del medio ambiente, representado especialmente por la temperatura y la humedad.

Durante el da la cara superior de la losa se encuentra a una temperatura mayor que la inferior, por lo que la cara superior tiende a alargarse y curvarse hacia arriba con cavidad hacia arriba, fenmeno que se conoce con el nombre de alabeo. El peso propio de la losa y las cargas del trnsito hacen que la losa permanezca en su posicin original, induciendo esfuerzos de flexin en ella, los cuales se traducen en esfuerzos de traccin en la cara inferior de la losa. (Figura 2.4)

Figura 2.4 Efecto de alabeo diurno sobre un pavimento rgido

Durante la noche, el gradiente trmico se invierte es decir, que la temperatura de la cara inferior de las losas es mayor, por lo que se presenta un alargamiento de esta cara provocando un alabeo con cavidad hacia abajo. (Figura 2.5)

El fenmeno de alabeo, tambin se presenta por el aumento o disminucin de humedad en las losas. Cuando stas contiene alta humedad, aumentan en volumen y, al perderla se contraen, produciendo esfuerzos similares a los que se presentan por cambios de temperatura. (Figura 2.5)

Figura 2.5 Efecto de alabeo nocturno sobre un pavimento rgido

ESTUDIO DE TRNSITO

El trnsito es probablemente la variable ms importante en el diseo de una va. Por lo anterior el volumen (cantidad de vehculos que usarn la va) y caractersticas de los vehculos condicionan su diseo geomtrico (nmero y ancho de carriles, pendientes, radios de curvas, ancho de bermas, etc.), en tanto que el nmero y el peso de los ejes de estos mismos vehculos son factores determinantes del diseo del pavimento (espesores de subbase, base. capa de rodadura y la calidad de los materiales, etc.)

En el presente captulo se dan a conocer los elementos necesarios para determinar el nmero de ejes de los vehculos que probablemente usarn el pavimento en un tiempo determinado como vida til de funcionamiento de la estructura. La determinacin de este valor es absolutamente importante, en tanto que sin l no es posible realizar el diseo.

Dentro del estudio del trnsito se tienen en cuenta factores tales como:

Principales vehculos que usan las vas y su distribucin de cargas en el pavimento.

Efecto de la repeticin de cargas.

Mezcla del trnsito

Crecimiento del trnsito

Cuantificacin del trnsito.

FATIGA DE LAS LOSAS DE CONCRETO

Las cargas aplicadas a las losas de concreto, producen en sta esfuerzos de flexin menores que su Mdulo de Rotura (MR), las cuales individualmente no causan dao al pavimento, pero la repeticin de esa misma carga un nmero elevado de veces, causan la llamada fatiga del material y como consecuencia la rotura de las losas.

Investigaciones realizadas por M.A. Minor, demuestran que cargas que causen en el pavimentos esfuerzos de flexin mayores que la mitad del Mdulo de Rotura del concreto, esas cargas causan fatiga en el material y, por lo tanto, un nmero suficiente de aplicaciones provocan la falla del pavimento, mientras que cargas que causen flexiones menores o iguales al 50 % de MR pueden repetirse indefinidamente sin causar fatiga.

La investigacin realizada por Minor permite determinar el nmero de repeticiones de determinada carga que causan fatiga.

Figura 0-2 clculo del factor camin para un grupo de vehculos

MEZCLA DE TRNSITO

Con el objeto de emplear la repeticin de cargas en el diseo de pavimentos, es necesario hacer predicciones del trnsito futuro a fin de estimar el nmero de aplicaciones de esfuerzos a que estar sometido el pavimento durante el perodo de diseo. Sin embargo, debido a que el trnsito es mezclado, es decir, existen muy diversos pesos de vehculos y configuraciones de ejes y ruedas es preciso asumir un eje o un vehculo de diseo y convertir por algn mtodo todo tipo de cargas a dicha carga estndar de diseo.

Con fines de diseo de pavimentos para carreteras, en el presente curso se tendr como carga estndar de diseo el eje sencillo de 8.2 toneladas. Eso significa que todas las dems cargas de los otros tipos de ejes se deben convertir a una carga equivalente al eje de diseo.

Para el caso de los aeropuertos, se tendr como elemento de diseo el avin que produzca el mayor nmero de decolajes en la pista principal.

MDULO DE REACCIN DE LA SUBRASANTE

Las losas de concreto que forman un pavimento rgido distribuyen sobre reas de la subrasante relativamente grandes, las cargas concentradas de las ruedas de los vehculos. Por esta razn las presiones sobre la subrasante se mantienen muy por debajo de su resistencia. La funcin primordial de la subrasante en un pavimento rgido no es suministrar un soporte de alta resistencia, sino ms bien un apoyo altamente uniforme, por esta razn si la subrasante no es uniforme, las losas tienden a trabajar como un puente entre las zona ms resistentes y se deforman excesivamente en las reas dbiles, por lo que se originan esfuerzos de flexin altos.

La capacidad de soporte de la subrasante se cuantifica por medio de un parmetro llamado mdulo de reaccin, conocido tambin como coeficiente de balasto Mdulo de Westergaard, y se representa convencionalmente por la letra k; y es igual a la relacin entre la presin aplicada sobre el terreno y el asentamiento que se produce a causa de dicha presin.

La determinacin de k se hace por medio de un ensayo de placa, bajo las normas ASTM-D1196/64 y AASHO T-222-66. Consiste en aplicar sobre una placa de 30 de dimetro una carga que produzca una deflexin de 0.05 en el suelo, en las cuales el valor de k es:

En donde p es la presin aplicada y d el asentamiento producido.

Las unidades de k son en el sistema ingls.

Los mayores valores de k se presentan en suelos de grava arenosa bien gradada y no plstica, en los que se pueden obtener valores de hasta 15 kilogramos por centmetro cbico. Los menores valores se tienen en suelos arcillosos plsticos y pueden ser del orden de 1.5 kilogramos por centmetro cbico.

Una de las formas de hacer aumentar el valor de k es compactando la subrasante con el fin de aumentar el peso unitario del suelo.

Cuando las caractersticas de la subrasante ofrecen condiciones bruscas de capacidad de soporte, es necesario hacer un mejoramiento de la subrasante por medio de la colocacin de una capa de sub-base, la cual permite obtener un suelo de soporte uniforme y de ms capacidad para las losas, por lo tanto el valor de k tambin se aumenta y este valor es el que se tiene en cuenta para el diseo.

Para valores de k mayores se requiere menos espesor de las losas de concreto.

PERIODO DE DISEO

El perodo para los pavimentos se fija con base en los factores econmicos del rea de incidencia del proyecto y en las polticas generales de desarrollo del ente encargado de administrar los pavimentos, especialmente en lo referente a los criterios de mantenimiento y explotacin de la red vial.

El periodo de diseo normalmente es de 10, 20 o ms aos, en el caso de pavimentos de concreto se consideran mnimo 20 aos, pero la tendencia es aumentarlo debido a que los costos, para duplicarle la vida til del pavimento por construir, en muchos casos no llega al 10%.

PRESIN DE INFLADO Y PRESIN DE CONTACTO

La presin la presin de inflado de las llantas, est estrechamente ligada con la presin de contacto de las llantas sobre el pavimento y de la magnitud de las cargas que transmiten al mismo.

Cuando una llanta se encuentra sometida a altas presiones de inflado, las paredes de la llanta trabajan a tensin y por lo tanto la presin de contacto entre la llanta y el pavimento es menor que la de inflado.

S la presin de inflado es baja, la presin de contacto es mayor que la inflado.

La magnitud del esfuerzo vertical en un punto del pavimento, debido a la aplicacin de una carga en la superficie del mismo, depende tanto de la presin de contacto, como de la carga total y de la configuracin de las ruedas.

De acuerdo con las investigaciones se a determinado que en las capas superiores de los pavimentos, es muy importante el efecto de la presin de inflado, mientras que a profundidades grandes, los esfuerzos para la misma carga y diferente presin de inflado tienden a hacerse iguales.

De acuerdo con la teora mencionada referente a la presin de inflado y presin de contacto de las llantas de los vehculos, se deduce que cuando las presiones de inflado de las llantas son elevadas se necesitan materiales de alta calidad en las capas superiores del pavimento, pero el espesor total no se ve afectado por dichas presiones. Mientras que para presiones constantes de inflado un incremento en la carga total aumenta la magnitud de los esfuerzos para todas las profundidades.

Conociendo la carga total que transmite una llanta y la presin de inflado de sta, se puede determinar el rea de contacto entre la llanta y el pavimento, mediante la expresin dada a continuacin. Suponiendo que la presin de inflado es igual a la presin de contacto.

Donde:

A = rea de contacto

P = Carga total de la llanta

Pi = Presin de inflado

En una superficie circular

Respecto a la forma del rea de contacto se ha determinado que es aproximadamente elptica, pero para fines de clculos es un poco complicada para determinar los esfuerzos. Por esta razn se ha considerado otros tipos de formas de reas, equivalentes a las reales, las formas ms comunes son la circular y la compuesta por un rectngulo y dos semicrculos cuyo dimetro equivalga al sesenta por ciento de la longitud de la huella de la llanta. Con estas consideraciones se pueden hacer aplicaciones como los ejemplos que se muestran a continuacin:

Una Llanta con una presin de inflado de , soporta una carga de 3200 Kg. Determinar el rea de

contacto de la llanta con el pavimento, determinando que su huella es circular.

Si la forma de la huella es elptica.

Solucin

o

Si la huella es elptica

Figura 2.2 Dimensiones utilizadas en una huella elptica

Como

Como

entonces

TIPO DE VEHCULO

PESADOESQUEMA DE VEHCULOS PESADOS CON CARGA PERMITIDA

BUSES

Buseta

Bus

Bus Articulado(Transmilenio)

Bus Metropolitano

C2 - P Camin de dos ejespequeo

C2 - G Camin de dos ejesgrande

C3 Y C4

Camin C3

Camin C4

Tractor - Camin C2-S1

Tractor - Camin C2 - S2

Tractor - Camin C3 - S1

C5 Tractor - Camin C3 - S2

> C5 Tractor - Camin C3 - S2

Figura 3.1 Esquema de los vehculos pesados con la carga permitida

DETERMINACIN DEL C.B.R DE DISEO

Un solo ensayo es insuficiente para determinar la capacidad de resistencia de la subrasante, por lo que es necesario tomar varias muestras a lo largo del proyecto vial los cuales arrojarn diferentes resultados, debido a las variaciones naturales de los suelos y a las imprecisiones que se pueden cometer al realizar los respectivos ensayos. Por sta razn es necesario sacar un valor representativo de todos los resultados obtenidos para emplearlo en el diseo. El criterio ms utilizado para este clculo es el propuesto por el Instituto del Asfalto, entidad que recomienda tomar un valor total, que el 60, el 75 el 87.5 % de los valores individuales que sean mayores o iguales que l, de acuerdo con el trnsito que se espere circule por el pavimento.

En la Tabla 3.1 se dan a conocer los lmites de los valores del nmero de ejes y el porcentaje a seleccionar para hallar la resistencia, propuesta por el Instituto del Asfalto de los Estados Unidos.

Ejemplo de seleccin del C.B.R en una unidad de diseo

El procedimiento consiste en identificar los valores obtenidos de C.B.R en diferentes puntos, posteriormente con la ayuda de un cuadro, en la primera columna se organizan los valores en forma descendente de menor a mayor, en la segunda columna se coloca el nmero de datos que sean iguales o mayores al valor de referencia, y en la tercera columna se coloca el porcentaje que represente los valores de la segunda. El ltimo paso consiste en elaborar una grfica en la que las abscisas corresponden a los valores de C.B.R de los ensayos realizados que son los de la columna nmero 1 del cuadro y en las ordenadas se colocan los porcentajes obtenidos en la tercera columna del cuadro. Se traza la curva que une estos puntos. El C.B.R de diseo es aquel que corresponda a los valores estipulados en la Tabla 3-1 del Instituto del asfalto.

Determinar el C.B.R de diseo para una subrasante en la cual se efectuaron 6 ensayos en puntos diferentes, cuyos resultados fueron 2, 5, 3, 5, 4 y 7% y en la cual se espera que el nmero de ejes

esperados de 8.2 toneladas sea de 2.5 x 105. Tabla 3.2

Grfica 3-1 Determinacin del CBR de diseo

DISEO PAVIMENTO RGIDO

Resistencia del Concreto a la Flexin

Esta resistencia se considera en el procedimiento de diseo por el criterio de fatiga, el cual controla el agrietamiento del pavimento bajo la accin repetida de las cargas de los vehculos pesados.

La deformacin que sufre un pavimento de concreto bajo las cargas produce esfuerzos de compresin y de tensin. Sin embargo, la relacin entre los primeros y la resistencia a la compresin del concreto es demasiado baja, como para afectar el diseo del espesor de la losa. La relacin entre los segundos y la resistencia a la flexin es mucho mayor, llegando frecuentemente a valores mayores que 0.5. Como resultado de ella, los esfuerzos y la resistencia a la flexin son los factores que se debern considerar en el diseo del pavimento.

El presente mtodo utiliza la resistencia a la flexin, medida por ensayos de modulo de rotura sobre vigas de 150 x 150 x 750 mm, cargndolas en los tercios de la luz, para un periodo de curado de 28 das, por considerar que habr pocas repeticiones de carga durante dicho lapso, en comparacin con la gran cantidad que el pavimento deber soportar posteriormente,

Capacidad de Soporte de la Subrasante y la Subbase

La capacidad de soporte se mide en trminos del mdulo de reaccin (k), determinado por pruebas de placa directa, ver numeral 2.5. Debido a que estas pruebas son complejas y costosas, el valor de k se estima general mente por correlacin con pruebas ms sencillas como el CBR o el ensayo del estabilometro de Hveem.

Este procedimiento es valido, por cuanto no es indispensable la determinacin exacta del modulo k, ya que variaciones no muy grandes, prcticamente no afectan los espesores necesarios de pavimento. Las relaciones que se muestran en la Figura 2 se consideran satisfactorias para efectos del diseo de un pavimento por este mtodo.

Las subbases se recomiendan con el objeto de prevenir el fenmeno del bombeo, sin embargo, su presencia tiene como consecuencia un incremento en la capacidad de soporte del pavimento que se puede aprovechar para efectos de diseo porque puede disminuir en algo el espesor de la losa. En la

Tabla 3.7 se muestra el incremento que es de esperar en el modulo si se coloca una subbase

granular y en la Tabla 3.8 el que se logra con una subbase tratada con cemento. En los ltimos aos se ha incrementado el uso de las subbases de concreto pobre.

Periodo de Diseo

El termino "periodo de diseo" se considera frecuentemente como sinnimo del termino "periodo de anlisis de trnsito". Puesto que es difcil predecir el trnsito con suficiente aproximacin para un tiempo largo, comnmente se toma un lapso de 20 aos como periodo para el diseo de un pavimento rgido sin olvidar que en determinados casos, puede resultar econmicamente justificado el empleo de periodos menores o mayores.

El periodo de diseo que se elija afecta el diseo de espesores, puesto que determina cuantos aos y consecuentemente, cuantos vehculos comerciales podrn circular sobre el pavimento, en ese tiempo. La seleccin definitiva del periodo de diseo para un proyecto especifico, de be basarse tanto en el juicio

ingenieril, como en un anlisis econmico de los costos del pavimento y el servicio que este proporcione a lo largo de todo el periodo.

Factores de Seguridad de Carga

EI mtodo de diseo exige que las cargas reales esperadas se multipliquen por unos factores de seguridad de carga (Fsc), recomendndose los siguientes:

Para vas de carriles mltiples en las cuales se espera un flujo de trnsito interrumpido con un elevado volumen de trnsito pesado, Fsc = 1,2

Para carreteras y vas urbanas arterias en las que se espere un volumen moderado de trnsito de vehculos pesados, Fsc = 1,1

Para calles residenciales y otras vas que vayan a soportar bajos volmenes de trnsito de camiones, Fsc = 1,0

Adems de los factores de seguridad de carga, el mtodo incluye cierto grado de conservatismo para compensar situaciones tales como un trnsito impredecible de camiones muy sobrecargados y las variaciones normales en los materiales, el proceso constructivo, y el espesor de las capas.

En casos muy especiales, podra justificarse el empleo de un factor tan alto como 1,3 para mantener un nivel de servicio mayor que el normal, a travs del periodo de diseo. Ejemplo tpico lo constituye una autopista urbana de trnsito muy alto y sin rutas alternas de desvo.

Esfuerzo Equivalente

Los esfuerzos equivalentes son funcin del espesor de la losa y el k del conjunto de la subrasante / subbase, depende de la existencia o no de berma en concreto en el pavimento de diseo, en las

Tablas 3-9, Tabla 3-10, Tabla 3-11 y Tabla 3-12 se pueden interpolar los valores de acuerdo a las caractersticas especificas.

Factor de Erosin

Se determina principalmente para controlar la erosin de la fundacin y las bermas, el bombeo y el desnivel de las losas. Se calcula interpolando en las tablas las cuales estn determinadas por la existencia o no de dovelas de y bermas de concreto, y el factor depende del espesor de la losa, el k del

conjunto de la subrasante / subbase y el eje tipo de eje. Figura 3.3, Figura 3.4.

Procedimiento de Diseo Portland Cement Association

Este mtodo de diseo se realiza con dos tipos de anlisis: por fatiga y por erosin, generalmente, el anlisis de fatiga controlara el diseo de pavimentos para bajos volmenes de trnsito (calles residenciales y vas secundarias) independientemente de si las juntas tienen a no dovelas. Por su parte, el anlisis de erosin suele controlar el diseo de pavimentos para vas de trnsito media y pesado en el caso de junta sin dovelas (del tipo de trabazn de agregados) y en pavimentos para trnsito pesado que tengan pasadores.

En pavimentos que reciben una mezcla normal de cargas par eje, los simples suelen ser los ms severos en el anlisis de fatiga, mientras que los tandem, lo son en el anlisis de la erosin.

Para realizar el diseo se requieren datos de entrada como el tipo de juntas y bermas, resistencia a la flexin del concreto a 28 das, Valor de K de la subrasante o del conjunto de subrasante subbase, Factor de seguridad de carga FSC, Distribucin de cargas por eje, Nmero esperado de repeticiones de las diversas cargas por eje en el carril de diseo durante el perodo de diseo,

Las grficas empleadas son las mismas, tanto para pavimentos de concreto simple con pasadores, sin ellos, como para pavimentos con refuerzo continuo. La nica diferencia la establece el tipo de berma que tenga el pavimento.

Ejemplo de Diseo

Periodo de diseo: 20 aos

TPD inicial: 12.900 vehculos (19% comerciales)

Crecimiento anual del trnsito: 4% (Factor de proyeccin 1.5)

K de la subrasante = 27 MPa/m (100 lb/pul3)

Modulo de rotura del concreto = 4.5 MPa (650 lb/pul2)

Pavimento sin berma de concreto

Datos de distribucin de cargas

Tabla 3.13

Calculo K combinado

Asumo espesor de subbase de 100 mm

Interpolo en la tabla 3.13 el valor correspondiente segn K subrasante dado

K combinado: 35 MPa/m

Clculo del factor de seguridad de Carga

Para vas de carriles mltiples en las cuales se espera un flujo de trnsito interrumpido con un elevado volumen de trnsito pesado, Fsc = 1,2

Clculo del esfuerzo equivalente

Por ser un pavimento sin bermas en concreto interpolo en la Tabla 3.11 y hallo los esfuerzos equivalentes para ejes sencillos y tandem, respectivamente.

Clculos de trnsito

Figura 3-5 Porcentaje de camiones en el carril derecho de una carretera de carriles mltiples con separador central

Tabla 3.14

Solucin

Espesor de la subbase: 100 mm

Espesor de la losa: 240 mm

Consumo de fatiga: 82% < 100% eficiente

Consumo de erosin: 40 % < 100% eficiente

Reserva resistencia a la fatiga: 100 82 = 18% disponible para cargas mayores a las contempladas en el diseo por eje.

Procedimiento de Diseo AASHTO

Para determinar el espesor del pavimento incluyen como parmetros de diseo el drenaje, la presencia de bermas y erosionabilidad de la base entre otras, buscando as incorporar el mayo nmero posible de variables en el diseo del pavimento, q se resumen en la siguiente ecuacin:

En donde:

W82: Nmero previsto de ejes equivalentes de 8.2 t (18000 libras o 82 KN), a largo del

periodo de diseo.

Zr : Desviacin estndar

So : Error estndar combinado en la prediccin del trnsito y en la variacin del comportamiento esperado del pavimento

D : Espesor del pavimento de concreto ( en mm)

PSI : Diferencia entre los ndices de servicio inicial y final (Po Pt)

Pt : ndice de servicio final

Mr : Resistencia media del concreto en (MPa) a flexotraccin a los 28 das (mtodo de carga en los tercios de la luz).

Cd : Coeficiente de drenaje

J : Coeficiente de transmisin de cargas en las juntas.

Ec : Modulo de elasticidad el concreto, en MPa

K : Modulo de reaccin, dado en Mpa/m de la superficie (base, subbase o subrasante) en la que se apoya el pavimento de concreto.

ndice de servicio final (Pt): Se basa en el ndice mas bajo tolerado antes de ser necesaria una rehabilitacin, un refuerzo o una reconstruccin, se sugiere un valor de 2.5 o incluso superior en las vas de mayor trafico y de 2.0 para las menos importantes.

ndice de servicio inicial (Po): Esta determinado de 4.5 en los pavimentos en concreto y de 4.2 en los de asfalto.

Nmero previsto de ejes equivalentes de 8.2 t (W82): para los pavimentos en concreto se tienen nueve tablas para tres ndices de servicio final y para cada uno de los tres ejes principales.

Tabla 15

Tabla 16

Tabla 17

Tabla 18

Tabla 19

Tabla 20

Tabla 21

Tabla 22

Tabla 23

Periodo de diseo: En general debe ser superior a 20 aos, en el cual se recomienda se incluya al menos una rehabilitacin, depende principalmente del tipo de va

Tabla 24

Distribucin del trnsito: El trnsito que se utiliza es el que circula por el carril de diseo, generalmente se admite que en cada direccin circula el 50% del trnsito total (puede variar 70% y 30%), depende tambin del numero de carriles en cada direccin.

Tabla 25

Niveles de confiablidad (R): se expresa en funcin del tipo de va.

Tabla 26

Desviacin Normal estndar ( Zr): Para un determinado conjunto de variables que influyen en el diseo de un pavimento, se sigue la ley de distribucin normal con una media Mt y una desviacin tpica So. Todo esto asociado a un nivel de confiabilidad R, de tal forma que haya una probabilidad igual a 1-R/100 de que el trnsito realmente soportado sea inferior al valor ZrSo.

Tabla 27

Error estndar (So): Se recomienda adaptar valores comprendidos dentro de los siguientes intervalos:

Pavimentos Rgidos: 0.30 0.40

0.35 = construccin nueva

0.40 = sobracapas

Pavimentos Flexibles: 0.40 0.50

0.45 = construccin nueva

0.50 = sobracapas

Factor de seguridad (Fs): Es funcin del trnsito esperado en el carril de diseo segn la siguiente Tabla 28

Coeficiente de drenaje (Cd): Depende de la calidad del drenaje expresada en la siguiente

Tabla 29 y Tabla 30

Coeficiente de transmisin de cargas (J): Este factor tiene en cuenta la capacidad del pavimento de concreto para trasmitir las cargas a travs de las discontinuidades o dispositivos de transmisin de cargas.

Tabla 31

Modulo de elasticidad (Ec): Se puede expresar en funcin de Fc (resistencia a la compresin del concreto) expresada en MPa.

Tabla 32

Modulo de resiliencia (k): depende de variables como el modulo de resiliencia de la subrasante, el espesor de la subbase y el coeficiente de elasticidad de la misma, que se convierten en los datos de entrada en el siguiente monograma.

Figura 3.6 Nomograma para determinar el modulo de reaccin compuesto de la subrasante, superando una profundidad infinita

Para facilitar el clculo del espesor del pavimento por este mtodo se ha preparado un monograma que permite su aplicacin inmediata.

Si adoptamos un mdulo de reaccin efectivo K=20 MPa/m

Mdulo de elasticidad del concreto Ec = 35.000 MPa

Resistencia media del concreto a flexotraccin Mr=4.6 MPa de resistencia media

Coeficiente de drenaje Cd=1.0

Error estndar combinado So=0.29

Confiabilidad n=95%

PSI = 1.7 deducido a partir de un valor inicial 4.2 y un valor final igual a 2.5

Numero total W82 de ejes equivalentes de 82 KN (8.2 t)

Ejemplo:

K = 20Mpa/m So = 0.29

Ec = 35000Mpa R = 95% (Zf =1.645

Mr = 4.6Mpa PSl = 4.2 - 2.5 =1.7

j = 3.2 W82 = 5.1 * 106

Cd = 1.0 Solucin D = 250mm

Figura 3.7 Nomograma AASHTO (primera parte)

Figura 3.8 Nomograma AASHTO (segunda parte). Pag 34 Cipriano

DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

Los mtodos de diseo se deben entender como modelos que intentan predecir el comportamiento de unos materiales dados, que es necesario calibrar con base en la experiencia o con lo observacin de pavimentos existentes.

DISEO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS RGIDOS PARA AEROPUERTOS

De igual manera que en el diseo de pavimentos rgidos para carreteras, el diseo de pavimentos de concreto para aeropuertos se basa en las teoras de Westergaard.

Los mtodos de diseo de ms amplia aceptacin son el de la FAA y el de la PCA, ambas entidades de los Estados Unidos. En el presente curso se hace referencia nicamente al mtodo de diseo de la FAA.

Generalidades

La determinacin del avin de diseo se realiza exactamente igual al procedimiento que se sigue para pavimentos flexibles, utilizando las grficas de diseo de pavimentos de concreto de la FAA.

Entre las variables de diseo se consideran la magnitud de las cargas (peso de los aviones), la geometra del tren principal, volumen esperado de trnsito y las propiedades del suelo de la subrasante.

Los espesores de las diferentes reas se aplican de acuerdo a la seccin transversal presentada en Figura 3.6.

Para el diseo se debe conocer un estudio de trnsito, consistente en el nmero de decolajes que se esperan produzcan los diferentes tipos de aviones durante un ao.

Mdulo de reaccin del sistema subrasante-subbase

La resistencia de la subrasante se mide por medio del mdulo de reaccin k, el cual se halla mediante ensayos de placa directa.

En pavimentos de concreto para aeropuertos generalmente se construye una capa de subbase, con el fin de que las losas encuentren un apoyo uniforme y permanente. La FAA recomienda construir dicha capa en todos los casos, en un espesor no menor de 10 cm. Se pueden utilizar para sta capa materiales granulares materiales estabilizados generalmente con cemento (suelo cemento).

La colocacin de una capa de subbase induce a que k aumente, produciendo un aumento en la capacidad portante de la fundacin, por esta razn es necesario determinar el nuevo k que es el de diseo. Para solucionar ste problema la FAA ha elaborado unas grficas que permiten encontrar el Mdulo de reaccin de diseo conociendo el tipo de material a utilizar como subbase, el mdulo de reaccin de la subrasante y el espesor de dicha capa. Las grficas 3.14 y 3.16 permiten obtener dicho mdulo segn el caso.

Figura 3-9 Seccin transversal tpica de la pista de un aeropuerto

Concreto utilizado

La FAA recomienda que los concretos utilizados en la construccin de las losas de los pavimentos rgidos para aeropuertos tengan un Modulo de Rotura igual o superior a los 50 ( ), el control del MR en el sitio de construccin se lleva a cabo mediante el empleo de una viga normalizada, que se debe construir con el concreto utilizado para posteriormente ser fallada en el laboratorio con el fin de confirmar si el concreto utilizado corresponde al sealado en el diseo.

Procedimiento de Diseo

Conocido el nmero de decolajes esperados de los diferentes tipos de aviones, se determina el avin de diseo siguiendo el mismo procedimiento descrito en la unidad anterior. El avin de diseo es aquel que requiere mayor espesor de losa.

Grfica 3-14 Efecto de la subbase sobre el mdulo de reaccin de la subrasante agregado bien gradado

Grfica 3-15 Efecto de la subbase sobre el mdulo de reaccin de la subrasante gravas y arenas Ip

Mediante el empleo de la siguiente frmula se obtiene el nmero de decolajes equivalentes de los diferentes aviones al del avin de diseo.

Donde:

R1 = Nmero de decolajes del avin de diseo que equivalen a un nmero R2 de decolajes de otro tipo de avin

W1 = Carga por rueda del tren principal del avin de diseo

W2 = Carga por rueda del tren principal al que corresponden R2 decolajes

Con el nmero total de decolajes, se utiliza la grfica que corresponda al avin de diseo para obtener el espesor de la losa.

Para dar un mejor entendimiento al empleo del mtodo y de las grficas a continuacin se presenta un ejemplo de diseo.

Grficas de Diseo

La FAA elabor una serie de grficas de diseo mediante las cuales se puede determinar el espesor de las losas de concreto para las reas crticas, en funcin de la resistencia a la flexin del concreto MR, el mdulo de reaccin del suelo de fundacin, el peso bruto mximo para decolajes del avin de diseo y su promedio anual de decolajes equivalentes.

Al igual que en las curvas para determinar pavimentos flexibles, las de rgidos se emplean para un mximo de 25.000 decolajes. En caso de tener un nmero mayor se deben hacer los ajustes de acuerdo con la Tabla 3.15

Curvas de Diseo de Pavimentos rgidos, sistema de rueda simple

Curvas de Diseo de Pavimentos rgidos, sistema de rueda doble

Curvas de Diseo de Pavimentos rgidos, sistema de rueda tandem doble

Curvas de Diseo de Pavimentos rgidos, B 747 100, serie 200 B, C, F

Curvas de Diseo de Pavimentos rgidos, B 747 SP

Curvas de Diseo de Pavimentos rgidos, DC 10 10, 10 CF

Curvas de Diseo de Pavimentos rgidos, L 1011 100, 200

Curvas de Diseo de Pavimentos rgidos, I 1011 1, 100

Curvas de Diseo de Pavimentos rgidos, L 1011 100, 200

Ejemplo de Diseo

Disear el pavimento rgido (espesor de losa) requerido para las diferentes reas de un aeropuerto, en el cual el avin de diseo es el Boeing 707, con un peso bruto mximo de 151.000 kg. Se espera que el nmero de decolajes equivalentes anuales sea de 23.000.

El tren principal del avin de diseo es del tipo tndem doble.

De un ensayo de placa directa, realizado sobre el suelo de la subrasante, se encontr un k de sta de 2.7 , el MR del concreto utilizado a los 90 das es de 52 . Pista principal de 45 metros de ancha.

Solucin

Se debe decidir por el espesor y tipo de material para ser utilizado como subbase (se deben realizar varios ensayos con el fin de obtener la seccin tpica que sea ms favorable econmica y que cumpla con las caractersticas deseadas). Con el fin de ilustrar el ejemplo se opta por colocar una subbase de suelo cemento de 20 cm. de espesor.

En la grfica 3.16 se entra con 20 cm. y k de 2.7 se obtiene un k de diseo de 6.8 .

En la grfica para un avin de diseo tren principal del tipo tndem doble, se entra en las ordenadas con 52 del MR del concreto, se desplaza horizontalmente hasta encontrar la curva que corresponda al k de diseo, desde ste punto de corte se desplaza verticalmente hasta encontrar la curva que corresponda al peso del avin de diseo(151.000kg.). Finalmente desde ste ltimo punto horizontalmente se lee en la escala de la derecha el espesor de losa requerido en la columna del nmero de decolajes. En este caso es de 38 cm.

En la Figura 3.7 se muestran las dimensiones obtenidas en el diseo.

Figura 3-10 Dimensiones de diseo obtenidas

DISEO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS ARTICULADOS

Parmetros de diseo

Capacidad portante de la subrasante: se determina mediante la evaluacin de los ensayos de CBR

El trnsito: La variable se cuantifica promedio del NDT (nmero de diseo en relacin con el trnsito) cuya funcin principal es la de convertir el dao producido por la carga de todos los vehculos en el dao equivalente que produce la carga correspondiente a un eje de 8.2 toneladas.

Procedimiento de diseo

Se determina la capacidad de soporte de la subrasante (CBR).

Se cuantifica el trnsito NDT.

Se calcula el espesor integral del pavimento en trminos de concreto asfltico mediante la siguiente ecuacin:

Se considera el aporte estructural del adoquin y la capa de arena restando 16 cms al valor calculado de TA.

Los espesores de base y subbase se calculan aplicando el valor que falta de TA equivalencias adecuadas entre concreto asfltico y otros materiales. Se emplean los mismos factores utilizados para el diseo de pavimentos flexibles

Espesores del adoqun de acuerdo con el trnsito: este mtodo se ha desarrollado para un espesor patrn de 8 cms, sin embargo, se permite la utilizacin de piezas de diferentes espesores, de acuerdo con las condiciones de trnsito esperadas en la va, teniendo en cuenta los siguientes criterios:

Se pueden utilizar adoquines de 6 cms para trfico peatonal y vehicular de hasta 50 mil ejes equivalentes de 8.2 ton, reemplazando directamente de los 8 cms supuestos en el mtodo de diseo.

Para trficos entre 50.000 y 500.000 ejes equivalentes de 8.2 toneladas se pueden utilizar adoquines de 8 cms o de 6 cms compensando esta reduccin con un aumento en el espesor de la base de 5 cms (base granular).

Trficos mayores de 500.000 ejes equivalentes de 8.2 toneladas, se utilizan adoquines de 8 cms de 10 y 12 cms slo son necesarios en pavimentos donde se esperan ms de 15 millones de repeticiones de ejes equivalentes de 8.2 toneladas o para condiciones especiales (soporte de puentes gras, terminales martimos, etc.)

Figura 3.3 Esfuerzo equivalente pavimento sin berma de concreto (eje sencillo y tndem)

Figura 3-4 Esfuerzo equivalente pavimento con berma de concreto (eje sencillo y tndem)

MTODO DE DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES DEL MOPT

El Ministerio de Obras Pblicas y Transporte (hoy Ministerio de Transporte) en colaboracin con la seccin tropical del Laboratorio de Investigacin de Carreteras de la Gran Bretaa, estableci un mtodo de diseo de pavimentos para Colombia, basado en la medida de la resistencia de la subrasante y de las condiciones de humedad bajo las superficies pavimentadas y crecimiento del trnsito.

Los estudios realizados para establecer el mtodo de diseo de pavimentos flexibles para Colombia en carreteras, obtuvieron la grfica 3.2 en la que se puede calcular el espesor de la subbase conociendo el nmero de ejes acumulados equivalentes de 8.2 toneladas en una direccin y el valor en porcentaje de C.B.R del material que se utilice como subbase. Esta grfica se complementa con la tabla 3.3 en la que se asignan los espesores en centmetros que deben llevar la base granular y la capa de rodadura conociendo el nmero de ejes acumulados.

Con el propsito de explicar la utilizacin de la grfica y de la Tabla 3.3, a continuacin se desarrolla un ejemplo de diseo. Teniendo en cuenta que el objetivo del diseo es establecer los espesores de subbase, base y capa de rodadura.

Grfica 3.2 Grfica para determinar el espesor de la subbase en pavimento flexible

Ejemplo de diseo de pavimento flexible para una carretera por el mtodo mopt:

Disear un pavimento flexible para una carretera que tiene las siguientes caractersticas:

C.B.R de la subrasante = 5%

TPD = 260 vehculos en dos direcciones, para dos carriles.

Tasa anual esperada del crecimiento del trnsito = 8%

Perodo de diseo = 10 aos.

Factor camin establecido =1.3

Vehculos comerciales = 80%

Los datos presentados en el ejemplo, son los que se deben tener siempre para iniciar el diseo, ya que las frmulas de clculo y los grficos exigen estos datos que deben ser conocidos y obtenidos en los estudios previos al proyecto.

Solucin

Los siguientes son los pasos que se deben seguir para efectuar el diseo:

Determinar el trfico de vehculos comerciales en el carril de diseo.

Calcular el nmero de vehculos acumulados en el carril de diseo durante el perodo de diseo.

Determinar el nmero de repeticiones ejes acumulados de 8.2 toneladas durante el perodo de diseo.

Con ayuda de la Grfica 3.1 Con el valor obtenido de N y el valor del C.B.R, dato del problema, se determina el espesor de la subbase

Con ayuda de la Tabla 3.6, se determina el espesor de la base granular y de la carpeta asfltica.

Grfica 3.3 Determinacin espesor de la subbase

tabla 3.4 Determinacin espesor capa de rodadura y base granular

MTODO DE DISEO DELIA PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES

Este mtodo de diseo considera al pavimento como un sistema elstico de capas mltiples, cada una de las cuales esta definida con su respectivo mdulo de elasticidad y una relacin de Poisson. Los espesores y caractersticas de cada una de las capas de la estructura se determinan de manera que las deformaciones verticales de compresin en la parte superior de la subrasante y las deformaciones por traccin producidas en la parte inferior de las capas asflticas bajo la accin de las cargas del trnsito sean de tal magnitud que se encuentren siempre dentro de lmites tolerables.

En ste mtodo de diseo se tienen variaciones en cuanto a la determinacin del trnsito de diseo y a la determinacin de la resistencia del suelo de la subrasante. A continuacin se presentan las formas de clculo de cada una de stas.

Variables de Diseo

Es de importancia fundamental el nmero y peso de las cargas por eje que se esperan sern aplicadas en el perodo de diseo, as como el conocimiento de la resistencia de la subrasante determinada por el modulo de resiliencia.

Anlisis del Trnsito

Al igual que en el mtodo de diseo del Ministerio de Transporte el trnsito debe expresarse en funcin del nmero acumulado de ejes sencillos Equivalentes de 8.2 toneladas, procedimiento que se realiza de igual manera y que solo basta con agregar en el caso de vas con carriles mltiples el porcentaje de los vehculos comerciales que se espera utilicen el carril de diseo, estos porcentajes deben determinarse con ayuda de la Tabla 3.5.

Resistencia del suelo de la subrasante

El mtodo de diseo del Instituto del Asfalto tambin utiliza grficas para ste fin. Estas grficas exigen el conocimiento del Mdulo resiliente de la subrasante (Mr), valor que debe determinarse.

Debido a que la medicin del mdulo resiliente de la subastan es un poco complicada de medir se han establecido correlaciones con otras medidas de resistencia ms utilizadas. La correlacin ms empleada se establece con las siguientes frmulas, en la que es necesario conocer el C.BR de la subastan

El mtodo tambin exige tener en cuenta los espesores mnimos que se requieren para las carpetas de rodadura asfltica de acuerdo con la cantidad de ejes de diseo acumulados y que se muestran en la

Tabla 3.6, cuando se usan bases de tipo granular.

Grficas de diseo del instituto del asfalto

El mtodo de diseo del Instituto del asfalto exige la utilizacin de grficas establecidas de acuerdo con los estudios realizados. Estas grficas traen como abscisas al nmero equivalentes de ejes de diseo de 8.2 toneladas y como ordenadas el valor del Mdulo resiliente de la subrasante, calculada previamente.

Para seleccionar la grfica que se debe utilizar en el diseo es necesario establecer previamente el espesor de la base granular que va a tener la estructura. Los espesores de base que se pueden utilizar son: 10, 15, 20, 25, 30 y 45 centmetros de espesor. Esto significa que el diseador elige uno de estos espesores para sus clculos e identifica la grfica que debe utilizar en la que se establece el espesor de la capa de concreto asfltico.

Las grficas utilizadas para el diseo de pavimentos por el mtodo del Instituto del Asfalto se muestran desde la grfica 3.4 hasta la 3.13.

Grficas de diseo de pavimentos por el mtodo del Instituto del Asfalto.

Grfica 3.4 Grfica de diseo para espesor pleno de concreto asfltico

Grfica 3.5 Diseo para base estabilizada con emulsin tipo I

Grfica 3.6 Diseo para base estabilizada con emulsin tipo II

Grfica 3.7 Diseo para base estabilizada con emulsin tipo IIL

Grfica 3.8 Grfica de diseo para base granular de 10 cm de espesor

Grfica 3.9 Grfica de diseo para base granular de 15 cm de de espesor

Grfica 3.10 Grfica de diseo para base granular de 20 cm de espesor

Grfica 3.11 Grfica de diseo para base granular de 25 cm de espesor

Grfica 3.12 Grfica de diseo para base granular de 30 cm de espesor

Grfica 3.13 Grfica de diseo para base granular de 45 cm de espesor

Ejemplo de diseo por el mtodo del instituto del asfalto

Disear un pavimento flexible por el mtodo del Instituto del Asfalto para una carretera con las siguientes condiciones:

Trfico promedio diario = 700 vehculos.

Vehculos comerciales = 50 %

Va de cuatro carriles

Perodo de diseo = 10 aos

C.B.R de la sub-rasante = 3.0 %

Tasa de crecimiento del trnsito = 8 %

Factor camin = 2.0

Espesor de base granular = 15 cm.

Solucin

Figura 3.2 Solucin diseo espesor de carpeta asfltica

Diseo

Carpeta en concreto asfltico = 12.5 cm

Base granular = 15.0 cm

Sub base granular = 18 c

Se pueden efectuar varios ensayos asumiendo diferentes espesores de base y estimar cual es el diseo ms conveniente en cuanto a costos y funcionalidad.

PROYECCIN DEL TRNSITO PARA DISEO DE PAVIMENTOS

Para disear un pavimento no es suficiente con conocer el volumen del trnsito inicial, tambin debe hacerse un estimativo total del trnsito a que estar sometida la estructura durante el nmero de aos que se fije como perodo de diseo. Dicho estimativo requiere la utilizacin de una tasa de crecimiento anual del trnsito, ya que ste se incrementa anualmente debido al crecimiento de la poblacin y de los aumentos en la necesidad de utilizar el vehculo cada vez ms.

Cuando se pavimenta una va adems del trnsito que sta ya tiene, sufre un incremento por el trnsito atrado que es aquel que llega de otras vas debido a la mejora y un trnsito generado que es aquel que se genera por el hecho de la pavimentacin.

En trminos generales el trnsito inicial para el diseo de un pavimento ser la suma de los tres mencionados (inicial, atrado y generado). Este trnsito se debe proyectar hacia el futuro una vez fijado el perodo de diseo y conocida la tasa de crecimiento anual, proyeccin que se hace utilizando las frmulas de inters.

En la Figura 3.2 se muestra una curva tpica del crecimiento del trnsito con el tiempo. Como para el diseo solo interesan los vehculos comerciales el dato a colocar en las ordenadas ser ste, obtenido de los conteos y pesajes de vehculos realizados en la etapa de estudio del trnsito.

Figura 3-1 Curva de aumento del trnsito con el tiempo

El trnsito en cualquier ao n se puede calcular mediante la siguiente expresin:

Donde:

Tn = Trnsito en cualquier ao

To = Trnsito en el ao cero

I = Tasa anual de crecimiento del trnsito

n = Nmero de aos del perodo de diseo

El trnsito acumulado durante los n aos es el rea bajo la curva desde cero hasta n, y puede obtenerse integrando la ecuacin anterior.

Donde:

T0 = Trnsito inicial

n = Nmero de aos

i = Tasa de crecimiento anual

Para el diseo lo que realmente interesa es el clculo del nmero de ejes acumulados durante el perodo de diseo designando por la letra N mayscula, que representa las cargas repeticiones esperadas de ejes sencillos de 8.2 toneladas en dicho perodo. Este nmero de ejes se calcula multiplicando el trnsito acumulado por el respectivo factor camin o factor de carga obtenido en el conteo y pesaje.

Donde:

TPD = trnsito promedio diario

A = Porcentaje estimado de vehculos pesados

B = Porcentaje de vehculos pesados que emplean el carril de diseo

i = Tasa de crecimiento anual

n = Nmero de aos

Fc = Factor camin

Tabla 15 Factor de equivalencia para pavimentos de concreto, eje sencillo y pt=2.0 (1 kN = 0.22 kips)

Tabla 16 Factor de equivalencia para pavimentos de concreto, ejes tndem y pt = 2.0

Tabla 17 Factor de equivalencia para pavimentos de concreto, ejes tridem y pt = 2.0

Tabla 18 Factor de equivalencia para pavimentos de concreto, eje sencillo y pt =2.5

Tabla 19 Factor de equivalencia para pavimentos de concreto, ejes tndem y pt=2.5

Tabla 20 Factor de equivalencia para pavimentos de concreto, ejes tridem y pt=2.5

Tabla 21 Factor de equivalencia para pavimentos de concreto, ejes sencillo y pt = 3.0

Tabla 22 Factor de equivalencia para pavimentos de concreto, ejes tndem y pt = 3.0

Tabla 23 Factor de equivalencia para pavimentos de concreto, ejes tridem y pt =3.0

TIPO DE VA PERODO DE DISEO, AOS

Urbana de trnsito elevado 30 50

Interurbana de trnsito elevada 20 50

Pavimentada de baja intensidad de trnsito 15 25

De baja intensidad de trnsito pavimentacin con grava 10 - 20

Tabla 24 Periodos de diseo

No. DE CARRILES EN CADA

DIRECCIN

PORCENTAJE DE EJES SIMPLES EQUIVALENTES DE 82 kN EN EL

CARIL DE DISEO

1 100

2 80 100

3 60 80

4 50 - 75

Tabla 25 Distribucin del trnsito

TIPO DE VANIVELES DE CONFIABILIDAD

URBANA INTERURBANA

Autopistas y vas importantes 85 99.9 80 99.9

Arterias principales 80 - 99 75 95

Colectoras 80 - 95 75 95

Locales 50 - 80 50 - 80

Tabla 26 Niveles de confiabilidad en funcin del tipo de carretera

CONFIABILIDAD R, % DESVIACIN NORMAL ESTNDAR

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

Tabla 27 Valores de Zr en funcin de confiabilidad

TRNSITO ESPERADO EN EL CARRIL

DE DISEO (MILLONES DE EJES

EQUIVALENTES)

NIVEL DE

CONFIABILIDAD R%FACTOR Zr

FACTOR

SoF.S.

< 5 50 0.000 0.35 1.00

5 a 15 50 - 60 0.000 0.253 0.35 1.00 1.23

15 a 30 60 - 70 0.253 0.524 0.35 1.23 -1.83

30 a 50 70 - 75 0.524 0.674 0.34 1.51 1.70

50 a 70 75 - 80 0.674 0.841 0.32 1.64 1.86

70 a 90 80 - 85 0.841 1.037 0.30 1,79 2.05

Tabla 28 Confiabilidad y factores de seguridad recomendadas

CALIDAD DEL DRENAJE TIEMPO QUE TARDA EL AGUA EN EVACUAR

Excelente 2 horas

Bueno 1 da

Mediano 1 semana

Malo 1 mes

Muy malo El agua no se evacua

Tabla 29 Calidad del drenaje

NMERO DE EJES DE 8.2 TN EN EL

CARRIL DE DISEO

P