20140814 Cargas Del Tránsito Sobre Los Pavimentos (1) (1)

Cargas del trnsito sobre los pavimentos de calles y carreteras.

Por:

Luis Ricardo Vsquez Varela, M.Sc.

12/08/2014 LUIS RICARDO VSQUEZ VARELA, M.Sc. 1

Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales Facultad de Ingeniera y Arquitectura

Departamento de Ingeniera Civil

Pavimentos. Profesor: Luis Ricardo Vsquez Varela, M.Sc.

Introduccin.

El deterioro de los pavimentos afecta las caractersticas funcionales y estructurales del mismo.

Caractersticas funcionales: Es la percepcin del usuario de la va sobre el servicio que esta le

presta.

Caractersticas estructurales: Es la capacidad de disipar la energa inducida por las cargas de trnsito sobre el pavimento.

El deterioro se define como la acumulacin del dao durante el tiempo de

operacin del pavimento por la accin combinada de:

Las cargas del trnsito.

El medio ambiente.

Los materiales empleados.

La calidad de la construccin.


El trnsito y su relacin con los otros factores de diseo de pavimentos.


Clima

Materiales

Trnsito

Estructura

Respuesta Acumulacin del dao

Deterioro

TIEMPO

DA

O

http://www.fhwa.dot.gov/pavement/concrete/images/medpg.gif

El deterioro: acumulacin de daos.

http://www.mtc.ca.gov/images/pavement_damage.jpg http://www.northclearcreekproject.org/pdf/gallery/US6ConcreteDamage.jpg

Grietas por fatiga en una capa asfltica y su

evolucin posterior en un hueco.

Grietas de esquina en una losa de CCP y reparacin inadecuada

con HMA.


Respuesta de los pavimentos frente a las cargas de trnsito.

La respuesta del pavimento frente a las cargas de trnsito depende de la rigidez y espesor de sus capas constitutivas incluyendo la fundacin del mismo.

A menor rigidez del sistema, se presentan mayores deformaciones y desplazamientos.


Concentracin de la energa en la capa

rgida (PCC).

Menores deformaciones y

desplazamientos.

Distribucin de la energa en las capas

asflticas y granulares.

Mayores deformaciones y

desplazamientos.

Accin del trnsito sobre los pavimentos.

De acuerdo con Y. H. Huang (2004) la accin del trnsito vehicular sobre calles y carreteras se puede definir de acuerdo con cuatro elementos:

El efecto de la configuracin de los ejes sobre el pavimento.

El nmero de aplicaciones de ejes durante la vida til del

pavimento.

El efecto del rea de contacto de las llantas sobre el pavimento.

La velocidad de los vehculos.


1. Efecto de la configuracin de los ejes sobre el pavimento.

Tipos de ejes vehiculares:

Eje simple: Ensamble de dos o cuatro llantas unidas entre s por una lnea de rotacin.

Eje tndem (eje doble): Eje conformado por dos lneas de rotacin, dotado de una suspensin que permite la compensacin de cargas.

Eje trdem (eje triple): eje conformado por tres lneas de rotacin, dotado de una suspensin que permite la compensacin de cargas.

Fuente: Norma Tcnica Colombiana NTC

4788. Tipologa para Vehculos de Transporte de Carga Terrestre.


Eje simple con dos llantas

Eje simple con cuatro llantas

Eje tndem

Eje trdem

Elaboracin propia.

Efecto de la geometra de los ejes en camiones convencionales:

El espaciamiento entre ejes (4 a 7 metros) no tiene efecto en el diseo pues se considera que cada eje causara esfuerzos y deformaciones independientes entre s.

Los ejes tndem y trdem no equivalen a una sola repeticin (inseguro) ni 2 o 3 repeticiones independientes (conservador).

En pavimentos flexibles slo se consideran las ruedas de la huella exterior pues el ancho del eje (1.8 metros) es suficiente para que los efectos de cada llanta sean independientes entre s.

En pavimentos se consideran las ruedas a ambos lados del eje con efectos superpuestos.


7 metros 4 metros

1.2 m.

1.8 m. Triler

Eje tndem con dos llantas

Eje simple con dos llantas

Eje simple con una llanta

Cabezote

Eje de la va

Borde de la va

Espaciamiento entre llantas de un camin

tpico (Adaptado de Huang, 2004).

http://www.emercedesbenz.com/Images/Aug08/08_Mercedes_Benz_Econic_Semi_Trailer

_Tanker/08_Mercedes_Benz_Econic_Semi_Trailer_Tanker_2.jpg

2. Nmero de aplicaciones de ejes durante la vida til del pavimento.

Es posible simular el dao que cada eje individual futuro causara sobre un pavimento, pero:

Se requieren proyecciones de trnsito confiables a partir de series histricas y patrones

temporales de distribucin horaria, diaria, semanal, anual y multianual.

La simulacin del dao de cada eje debe considerar la aleatoriedad del tipo y peso de cada eje y la presin de inflado de sus neumticos.

Se han adoptado factores de conversin para simplificar el trnsito heterogneo a

ejes equivalentes homogneos de acuerdo con un criterio especfico de dao.

La referencia propuesta por la AASHTO es un eje simple de 80 kN.

La referencia propuesta en la Gua Francesa de Diseo es un eje simple de 130 kN.

Los factores de conversin a un eje estndar son funcin del tipo, estructura y estado del pavimento, as como de la carga y tipo de eje a transformar.


3. Efecto del rea de contacto de las llantas sobre el pavimento.

En los mtodos de anlisis se simulan las cargas del trnsito como presiones uniformes aplicadas sobre la superficie de la estructura de pavimento.

La presin de contacto de este modelo no coincide con la presin de inflado de los neumticos:

La presin de contacto es mayor que la presin de inflado en

neumticos con baja presin cuyas paredes estn en compresin.

La presin de contacto es menor que la presin de inflado en neumticos con baja presin cuyas paredes estn en traccin.

En pavimentos con capas asflticas delgadas (< 10 cm.) se generan esfuerzos importantes en la interfaz neumtico pavimento.


La forma del rea de contacto depende del mtodo de anlisis:

reas rectangulares para el anlisis de

losas de pavimento rgido mediante el mtodo de los elementos finitos.

reas circulares para el anlisis de pavimentos mediante la teora de capas elsticas con simetra axial.

Los neumticos de banda ancha son

una alternativa econmica para el transportador, pero el dao sobre el pavimento es mayor por la reduccin del rea de contacto.


Rueda simple con neumtico de banda ancha

(445/50R22.5) y rueda doble con neumticos

convencionales (275/80R22.5) [INVIAS, 2008].

4. La velocidad de los vehculos.

La velocidad de los vehculos es relevante cuando se consideran propiedades visco-elsticas en el mtodo de anlisis del pavimento.

La elasticidad es la relacin entre el esfuerzo y la deformacin y la viscosidad es la relacin

entre el esfuerzo y la velocidad de deformacin.

El tiempo de duracin de la carga sobre un punto del pavimento es funcin de la velocidad del vehculo.

La respuesta esfuerzo deformacin de un material visco-elstico cambia con el tiempo de aplicacin de la carga.

A mayor velocidad (menor tiempo de carga) los materiales visco-elsticos desarrollan una mayor rigidez y presentan menores deformaciones. La menor rigidez y las mximas deformaciones se presentan bajo carga esttica.

Si se hace un anlisis elstico lineal del pavimento, la velocidad del trnsito debe tomarse en consideracin para seleccionar un mdulo de Young (E) representativo.


Limitaciones en la modelacin de la accin del trnsito.

El anlisis convencional de esfuerzos y deformaciones en pavimentos se realiza para un sistema de cargas esttico que transmite una presin uniforme en la superficie.

Este anlisis es una aproximacin a la accin del trnsito real:

Las cargas reales circulan con velocidades variables y la respuesta de algunos materiales es funcin del tiempo de aplicacin de las mismas.

La presin de contacto no es uniforme pues depende de la rigidez de los neumticos empleados.

La nica similitud entre la teoras empleadas en la actualidad y la

condicin real es la magnitud de la carga esttica.


Trnsito en calles y carreteras.

El conocimiento del trnsito mixto (automviles, buses y camiones) es fundamental para la gestin y operacin de redes viales.

Anlisis de capacidad vial y niveles de servicio. Diseo geomtrico de vas. Programacin de dispositivos de control de trnsito.

Para el diseo de pavimentos slo es relevante el trnsito de vehculos

comerciales, es decir, buses y camiones.

No obstante, la flota vehicular de buses y camiones es heterognea:

Diferentes pesos totales. Diferentes distribuciones de ejes y peso por ejes. Diferentes presiones de inflado de los neumticos.

Esta heterogeneidad dificulta evaluar el efecto del trnsito en los pavimentos de

calles y carreteras.


Composicin de vehculos pesados (Software PerRoad Timm, 2010).

PerRoad (2010) es un ejemplo de cmo se considera la flota vehicular comercial para el diseo de pavimentos.

Se emplea la clasificacin de vehculos de la FHWA (4 a 13).

Se considera una composicin ponderada del nmero de ejes simples, tndem y trdem para cada tipo de vehculo.


Espectro de cargas (Software PerRoad Timm, 2010).

Una aproximacin ms precisa se logra mediante la definicin del espectro de cargas del trnsito comercial esperado.

Esta informacin requiere estudios detallados con:

Volmenes de trnsito.

Operativos de pesaje.


Espectro de cargas para ejes sencillos, tndem y trdem en los EE.UU.

(FHWA, 1990 1998).


http://www.fhwa.dot.gov/pavement/ltpp/03094/02b.cfm

Tipos de bsculas para el pesaje de vehculos comerciales.

(INVIAS, 2008).

Bsculas estticas o fijas.

Poco confiable para el diseo de pavimentos.

Muestra limitada. Evasin del control.

Bsculas porttiles.

Muestra limitada. Evasin del control.

Bsculas de pesaje en movimiento.

Registro permanente. Evita la detencin vehicular. Debe corregirse el efecto dinmico.


Reglamentacin colombiana sobre dimensiones y pesos vehiculares.

Ministerio de Transporte.

Resolucin 4100 de 28/12/2004. Por la cual se adoptan los limites de pesos y dimensiones en los vehculos de transporte

terrestre automotor de carga por carretera, para su operacin normal en la red vial a nivel nacional.

Resolucin 2888 de 14/10/2005.

Por la cual se modifica parcialmente la resolucin 4100 del 28 de diciembre de 2004.

Resolucin 1782 de 08/05/2009.

Por la cual se modifica el articulo 8 de la resolucin 4100 del 28 de diciembre de 2004.

Resolucin 6427 de 17/12/2009.

Por la cual se dictan unas disposiciones para el control de peso a Vehculos de Transporte de Carga de dos ejes.


Resolucin 4100 de 2004 del Ministerio de Transporte.

Por la cual se adoptan los lmites de pesos y dimensiones en los vehculos de transporte terrestre automotor de carga por carretera, para su operacin normal en la red vial a nivel nacional.

Artculo 4: La designacin para los vehculos de transporte de carga en el territorio nacional de acuerdo con la configuracin de sus ejes, se muestra en la siguiente tabla (parcial) Modificado por la Resolucin 2888 de 2005:


Designacin Configuracin Descripcin

2

Camin de dos ejes Camin sencillo

3

Camin de tres ejes Doble troque


4

Camin de cuatro ejes

2S1

Tracto camin de dos ejes con semirremolque de un

eje

2S3

Tracto camin de dos ejes con semirremolque de tres

ejes

3S1

Tracto camin de tres ejes con semirremolque de un

eje



3S2

Tracto camin de tres ejes con semirremolque

de dos ejes

3S3

Tracto camin de tres ejes con semirremolque

de tres ejes

R2

Remolque de dos ejes

2R2

Camin de dos ejes con remolque de dos ejes


Artculo 7: DIMENSIONES: Los vehculos de transporte de carga que circulen por el territorio nacional, deben cumplir con las dimensiones establecidas en la siguiente tabla (parcial) Modificado por la Resolucin 2888 de 2005:


Designacin Dimensiones

Ancho mximo (m) Altura mxima (m) Longitud mxima (m)

2 2.60 4.40 10.80

3 2.60 4.40 12.20

4 2.60 4.40 12.20

2S1 2.60 4.40 18.50

2S2 2.60 4.40 18.50

2S3 2.60 4.40 18.50

3S1 2.60 4.40 18.50

3S2 2.60 4.40 18.50

3S3 2.60 4.40 18.50

Artculo 8: PESO BRUTO VEHICULAR: El peso bruto vehicular para los vehculos de transporte de carga a nivel nacional debe ser el establecido en la siguiente tabla (parcial) Modificado por la Resolucin 1782 de 2009:

Vehculos Designacin

Mximo peso bruto vehicular (kg.)

Tolerancia positiva de medicin (kg.)

Camiones

2 17,000 420

3 28,000 700

4 31,000 (1) 775

4 36,000 (2) 900

4 32,000 (3) 800

Tracto camin con semirremolque

2S1 27,000 675

2S2 32,000 800

2S3 40,500 1,013

3S1 29,000 725

3S2 48,000 1,200

3S3 52,000 1,300

(1): Un eje direccional y un trdem.

(2): Dos ejes direccionales y uno

tndem.

(3): Dos ejes delanteros de

suspensin independiente.


Artculo 9: PESO POR EJE: El mximo peso por eje para los vehculos de transporte de carga a nivel nacional debe ser el establecido en la siguiente tabla:

Tipo de eje Peso mximo por eje (kg.)

Eje sencillo

Dos llantas 6,000

Cuatro llantas 11,000

Eje tndem

Cuatro llantas 11,000

Seis llantas 17,000

Ocho llantas 22,000

Eje trdem

Seis llantas 16,500

Ocho llantas 19,000

Diez llantas 21,500

Doce llantas 24,000


Evaluacin del efecto del trnsito en los pavimentos.

El efecto del trnsito en los pavimentos es difcil de evaluar debido a su heterogeneidad.

Cmo se reduce la heterogeneidad?

Transformando el efecto del trnsito de acuerdo con las caractersticas de los vehculos. Carga de rueda, peso por eje o peso total del automotor.

Considerando el dao que causa una rueda, un vehculo o un eje estndar en un sistema de

pavimento.

Procedimientos de investigacin del efecto del trnsito:

En escala real:

Pistas de prueba, bajo techo o a la intemperie. Tramos experimentales. Ensayos viales con trnsito controlado.

Ensayos de laboratorio.


Caractersticas de instalaciones en escala real.

Tipo de instalacin

Simulacin de la estructura del pavimento

Simulacin de las cargas de trnsito Simulacin del clima

Pista circular Regular. Construccin difcil.

Buena. Alta velocidad y posibilidad de ensayos con mltiples ejes

Muy limitada. Ubicacin fija. Difcil control.

http://portalweb.ucatolica.edu.co/easyWeb2/investigaciones/pdfs/lineasinvestigaciones/LII%20002%20C%20COMPORT

AMIENTO%20DE%20MATERIALES.pdf


http://www.airtech.tc.faa.gov/NAPTF/images/naptv.jpg http://www.cedex.es/apt2008/html/docs/keynote%20and%20plenary/Implementation_of_APT_Facilities.pdf


Tipo de instalacin

Simulacin de la estructura del pavimento

Simulacin de las cargas de trnsito Simulacin del clima

Pista lineal. Excelente. Excelente. Velocidad moderada. Son posibles los ensayos con mltiples ejes.

Limitada. Simulada como en la instalacin NAPTF. Porttil.

Tipo de instalacin Simulacin de la estructura del pavimento

Simulacin de las cargas de trnsito

Simulacin del clima

Simular de vehculo pesado. (Heavy Vehicle Simulator)

Excelente. Secciones normales o especiales de carretera.

Buena. Baja velocidad.

Limitada pero puede seleccionarse el periodo del ao. Mvil.

http://www.dynatest.com/pdf/HVS.pdf http://www.vti.se/templates/Page____3250.aspx


http://www.csir.co.za/Built_environment/Infrastructure_engineering/pdfs/poster57_lowres.pdf




Simulacin del clima

Tramos de prueba Excelente. Secciones normales o especiales de carretera.

Excelente. Velocidad de trnsito real.

Limitada pero puede seleccionarse el periodo del ao.

http://www.google.com/url?source=imgres&ct=img&q=http://www.mrr.dot.state.mn.us/research/MnROAD_Project/workshop2

003/zzz.jpg&sa=X&ei=pZViTYXQOpO2tgf356TcCw&ved=0CAQQ8wc&usg=AFQjCNEy_XPhTMfrP53g7cnywvT9WR8hCg

Mainline:

Vehculo cautivo.

Circuito de

experimentacin

para bajos

volmenes.


LUIS RICARDO VSQUEZ VARELA, M.Sc. 34

http://www.fhwa.dot.gov/byday/images/11also.jpg



Simulacin del clima

Ensayos viales (Road test)

Excelente. Excelente control de magnitud, frecuencia y localizacin de las cargas. Alta velocidad.

Limitada pero puede abarcar varios aos.


Ensayos viales significativos en la historia.

Nombre Pas Perodo

Arlington Test Road (Virginia) USA 1919 1936

Bates Experimental Road (Illinois) USA 1920 1921

Boroughbridge Experiment UK 1946

Road Test One (Maryland) USA 1950 1951

WASHO Road Test (Idaho) USA 1952 1954

Alconbury Hill Experiment UK 1957

AASHO Road Test (Illinois) USA 1958 1960

Wheatley bypass UK 1963

Nately Scures UK 1963

Alconbury bypass UK 1964

Brampton Road Test Canad 1965

Conington UK 1965

San Diego County Experimental Base Project USA 1966 1973

MnRoad (Minnesota) USA 1994


En Francia se han utilizado pistas de prueba como la de Nantes (http://www.lcpc.fr/en/presentation/moyens/manege/index.dml).

6.0 metros de ancho y 120 metros de

longitud.

Espaa cuenta con una pista de ensayos en el Centro de Estudios de Carreteras del CEDEX (http://www.cedex.es/CEDEX/LANG_CASTELLANO/ORGANISMO/CENTYLAB/CET

/EQUIPAMIENTO/Instalaciones.htm).

En los EE.UU. se encuentra en operacin la pista de pruebas del Centro Nacional para la Tecnologa del Asfalto NCAT (http://www.ncat.us/facilities/test-track.html).


En aeropuertos se han hecho avances en el estudio del efecto del trnsito sobre los pavimentos.

National Airport Pavement Test Facility NAPTF - en el William J. Hughes Technical Center (Atlantic City, NJ) (http://www.airporttech.tc.faa.gov/naptf/).

Evaluacin acelerada de todo tipo de

pavimentos.

Pista instrumentada de 275 metros de largo por 18 metros de ancho.

Vehculo de prueba capaz de simular aviones hasta 5,783 kN.

Hasta 20 llantas configurables como cualquier tren de aterrizaje (hasta 334 kN por llanta).

Simulacin de posicin transversal variable.


De acuerdo con Croney & Croney (1991), para obtener un conocimiento adecuado del trnsito para diseo de pavimentos se requieren ensayos viales con las siguientes caractersticas:

Construidos en escala real.

Sometidos a trnsitos reales muy pesados.

Compuestos de estructuras con diversos espesores y materiales.

Se debe registrar durante un periodo de tiempo prolongado la siguiente

informacin:

El comportamiento de los pavimentos (agrietamientos y deformaciones).

Las cargas de trnsito aplicadas.


Limitacin de los procedimientos de evaluacin del efecto del trnsito.

Tramos o secciones de prueba bajo trnsito normal:

El tiempo necesario para obtener resultados es extenso. La carga y los efectos del medio ambiente son incontrolables.

Instalaciones de carga acelerada a escala real:

No incluye todos los efectos de deterioro dependientes del clima y del paso del tiempo. Requieren estudios complementarios de campo y laboratorio.

Ensayos viales con trnsito controlado:

No es una solucin perfecta por la incertidumbre sobre la relacin entre el comportamiento y

la equivalencia de cargas.

Ensayos de laboratorio sobre materiales y anlisis esfuerzo deformacin:

Las condiciones en un pavimento real no pueden ser reproducidas adecuadamente en el

laboratorio.


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