INTRODUCCION
Las carreteras son un factor muy importante en el desarrollo
socio econmico de las regiones y pasesEl trasporte es un elemento
de gran influencia en a economa de las zonas urbanas y rurales, y
la servicibilidad de las carreteras contribuye al desarrollo socio
econmico de los sectores de la poblacin, por ello es necesario de
una adecuada planificacin en los proyectos viales para que puedan
garantizar y facilitar el mejoramiento de la calidad de vida de los
habitantes. Dicha serviciabilidad es funcin directa del estado
superficial y estructura del pavimento. Por eso es de gran
importancia que se cuente con una red vial eficiente , que permita
la comunicacin entre sus diferente ncleos urbanos y ruralesEn
medida a esto desarrollaremos el mtodo de pavimentacin segn ASSHTO
1993 el cual describe con detalle los procedimientos para el diseo
de la seccin estructural de los pavimentos flexibles y rgidos de
carreteras. En el caso de los pavimentos flexibles, el mtodo
establece que la superficie de rodamiento se resuelve solamente con
concreto asfltico y tratamientos superficiales, pues asume que
tales estructuras soportarn niveles significativos de trnsito
(mayores de 50,000 ejes equivalentes acumulados de 8.2 ton durante
el perodo de diseo), dejando fuera pavimentos ligeros para trnsitos
menores al citado, como son los caminos revestidos o de
terracera.
1.- PAVIMENTOS DE CONCRETO ASFLTICO MTODO AASHTO-93 Los
procedimientos involucrados en el mtodo de diseo, versin 1993, estn
basados en las ecuaciones originales de la AASHO que datan de 1961,
producto de las pruebas en Ottawa, Illinois, con tramos a escala
natural y para todo tipo de pavimentos. La versin de 1986 y lado
1993 se han modificado para incluir factores o parmetros de diseo
que no haban sido considerados y que son producto dela experiencia
adquirida por ese organismo entre el mtodo original y su versin ms
moderna. El diseo est basado primordialmente en identificar o
encontrar un nmero estructural SN para el pavimento flexible que
pueda soportar el nivel de carga solicitado.A continuacin se
describe las variables que se consideran en el mtodo AASHTO:
1.1- MDULO DE RESILIENCIA Para el diseo de pavimentos flexibles
se deben utilizar valores medios resultantes de los ensayos de
laboratorio, las diferencias que se puedan presentar estn
consideradas en el nivel de confiabilidad R. Durante el ao se
presentan variaciones en el contenido de humedad de la subrasante,
las cuales producen alteraciones en la resistencia del suelo, para
evaluar esta situacin es necesario establecer los cambios que
produce la humedad en el mdulo resiliente. Con este fin se obtienen
mdulos resilientes para diferentes contenidos de humedad que
simulen las condiciones que se presentan en el transcurso del ao,
en base a los resultados se divide el ao en periodos en los cuales
el MR es constante. Para cada valor de MR se determina el valor del
dao relativo, utilizando el baco de la Figura VI.1 la siguiente
expresin:
Con los resultados de los daos relativos se obtiene el valor
promedio anual. El mdulo de resiliencia que corresponda al Uf
promedio es el valor que se debe utilizar para el diseo. Si no se
tiene la posibilidad de obtener esta informacin se puede estimar el
valor del MR en funcin del CBR. RELACIN C.B.R. MDULO DE RESILIENCIA
Con los valores del CBR se pueden obtener los mdulos resilientes
utilizando las siguientes relaciones: CBR < 15% (Shell) MR (MPa)
= 10 CBR K = Tiene una dispersin de valores de 4 a 25 MR (psi) =
1500 CBR K = Tiene una dispersin de valores de 750 a 3000 MR (MPa)
= 17,6 CBR0,64 El Instituto del Asfalto mediante ensayos de
laboratorio realizados en 1982, obtuvo las relaciones
siguientes:
1.2-PERIODO DE DISEO Se define como el tiempo elegido al iniciar
el diseo, para el cual se determinan las caractersticas del
pavimento, evaluando su comportamiento para distintas alternativas
a largo plazo, con el fin de satisfacer las exigencias del servicio
durante el periodo de diseo elegido, a un costo razonable.
Generalmente el periodo de diseo ser mayor al de la vida til del
pavimento, porque incluye en el anlisis al menos una rehabilitacin
o recrecimiento, por ende ste ser superior a 20 aos. Los periodos
de diseo recomendados por la AASHTO se muestran en la tabla
Periodos de Diseo en Funcin del Tipo de Carretera.
1.3-INDICE DE SERVICIABILIDADEs la condicin necesaria que debe
tener un pavimento para brindar a los usuarios un manejo seguro y
cmodo en un determinado tiempo. En sus inicios esta condicin se
evalu por medio de la opinin de los conductores, siendo sus
respuestas expresadas en una escala de 5 a 1.
En la actualidad una prueba mas objetiva de este ndice se
realiza a tra ves de una ecuacin matemtica, la cual se basa en la
enumeracin de fallas del pavimento:Donde: Sv: Variacin de las cotas
de la rasante en sentido longitudinal en relacin a la rasante
inicial (Rugosidad en el sentido longitudinal) Cf : Suma de las
reas fisuradas en y de las grietas longitudinales y transversales
en pies lineales, por cada 1000 de pavimento.P: rea bacheada en de
pavimentoRD: Profundidad media de ahuellamiento en pulgadas. Mide
la rugosidad transversal.
Antes de disear el pavimento se deben elegir los ndices de
servicio inicial y final. El ndice de servicio final p0 depende del
diseo y de la calidad de la construccin. En los pavimentos
flexibles estudiados por la AASHTO, el pavimento nuevo alcanz un
valor de p0 = 4.2El ndice de servicio final pt representa al ndice
ms bajo capaz tolerable por el pavimento, antes de que sea
necesario su rehabilitacin .El valor asumido depende de la
importancia de la carretera y del criterio del proyectista, se
sugiere que para carreteras de mayor trnsito un valor de pt >
2.5 y para carreteras de menor trnsito p0 = 2.0
1.4-PERDIDA O DISMINUCION DEL INDICE DE SERVICIABILIDADLos
valores antes descritos permiten expresar la disminucin del ndice
de servicio, la cual representa una reduccin gradual de la calidad
de servicio de la carretera, causada por el deterioro del
pavimento. Entonces: PSI = p0 - ptDonde:PSI: ndice de Servicio
PresentePSI: Diferencia entre los ndices de servicio inicial y el
final deseadop0: ndice de servicio inicialpt: ndice de servicio
final1.5. ANLISIS DE TRFICOEl trfico es uno de los parmetros ms
importantes para el diseo de pavimentos. Para obtener este dato es
necesario determinar el nmero de repeticiones de cada tipo de eje
durante el periodo de diseo, a partir de un trfico inicial medido
en el campo a travs de aforos. El nmero y composicin de los ejes se
determina a partir de la siguiente informacin: Periodo de diseo.
Distribucin de ejes solicitantes en cada rango de cargas. Trnsito
medio diario anual de todos los vehculos TMDA. Tasas de crecimiento
anuales de cada tipo de vehculo. Sentido del trfico. Nmero de
carriles por sentido de trfico. Porcentaje del trnsito sobre el
carril ms solicitado. ndice de serviciabilidad. Factores de
equivalencia de carga.TRNSITO MEDIO DIARIO ANUAL:El TMDA representa
el promedio aritmtico de los volmenes diarios de trnsito aforados
durante un ao, en forma diferenciada para cada tipo de
vehculo.CLASIFICACIN DE LOS VEHCULOS: Automviles y camionetas Buses
Camiones de dos ejes Camiones de ms de dos ejes Remolques
SemiremolquesTASA DE CRECIMIENTORepresenta el crecimiento promedio
anual del TMDA. Generalmente las tasas de crecimiento son
diferentes para cada tipo de vehculo.PROYECCIN DEL TRNSITOEl
trnsito puede proyectarse en el tiempo en forma aritmtica con un
crecimiento constante o exponencial mediante incrementos
anuales.MODELOS DE CRECIMIENTO
En el grfico se observa que la proyeccin aritmtica supone un
crecimiento ms rpido en el corto plazo y se subestima el trnsito en
el largo plazo.En base a las estadsticas es conveniente definir que
curva se ajusta mejor al trnsito generado por una carretera.
DISTRIBUCIN DIRECCIONALA menos que existan consideraciones
especiales, se considera una distribucin del 50% del trnsito para
cada direccin. En algunos casos puede variar de 0,3 a 0,7
dependiendo de la direccin que acumula mayor porcentaje de vehculos
cargados.FACTOR DE DISTRIBUCIN POR CARRILEn una carretera de dos
carriles, uno en cada direccin, el carril de diseo es uno de ellos,
por lo tanto el factor de distribucin por carril es 100%. Para
autopistas multicarriles el carril de diseo es el carril exterior y
el factor de distribucin depende del nmero de carriles en cada
direccin que tenga la autopista. En la tabla siguiente se muestran
los valores utilizados por la AASHTO:
1.6. NMERO TOTAL DE EJES SIMPLES EQUIVALENTES (ESALs)Se calcula
para el carril de diseo utilizando la siguiente ecuacin:
donde:pi : Porcentaje del total de repeticiones para el i-simo
grupo de vehculos o cargas.Fi : Factor de equivalencia de carga por
eje, del i-simo grupo de eje de carga.P : Promedio de ejes por
camin pesado.TPD : Trnsito promedio diario.FC :Factor de
crecimiento para un perodo de diseo en aos.Fd : Factor
direccional.FC : Factor de distribucin por carril.EJEMPLOPerodo de
Diseo = 20 aos Tasa de Crecimiento anual = 2%Pt = 2,5 Fd = 0,5 FC =
0,8 SN = 4
1.7-NIVEL DE CONFIANZA Y DESVIACION ESTANDAREste parmetro
establece un criterio que relaciona el desempeo del pavimento ante
los requerimientos exteriores. Se define como la probabilidad que
tiene el pavimento diseado para actuar correctamente durante toda
su vida de proyecto, ante las cargas y el ambiente, o la
probabilidad que las fallas y deformaciones estn bajo el nivel
permisible.Para elegir el valor de este parmetro se toma en cuenta
la importancia del camino, la confiabilidad de resistencia de cada
capa y el trnsito de diseo predicho.
La representacin de cmo se comporta realmente el pavimento y la
curva de diseo propuesta por la AASHTO tienen la misma forma pero
no coinciden. Esto se debe a errores ligados a la ecuacin de
comportamiento propuesta y a la dispersin de la informacin empleada
en el dimensionamiento del pavimento. Por esto la AASHTO tomo un
enfoque regresional para ajustar las curvas. Obteniendo una
representacin de los errores mediante una desviacin estndar So,
para comparar ambos comportamientos. El factor de ajuste entre las
dos curvas es el producto de la desviacin normal ZR, por la
desviacin estndar So. Los factores de ZR se observan en la
siguiente tabla:
Si la construccin se realiza por etapas, la vida til ser menor
al periodo de anlisis, para tal caso se considera las
confiabilidades de todo el periodo de diseo, donde resulta que:
Una vez seleccionado un nivel de confianza y recaudados los
resultados del diseo, se corregirn por : la confiabilidad de los
parmetros de entrada y las propias ecuaciones de diseo tomadas en
los tramos de prueba.Para ello , se considera un factor de
correccin que representa la So, de modo simple y reducido, dicho
factor prueba los datos dispersos que componen la curva real de
comportamiento del pavimento.El rango de desviacin sugerido por la
AASHTO se encuentra entre los siguientes valores:
1.8-COEFICIENTE DE DRENAJE Cd Para obtener el coeficiente de
drenaje se debe tomar en cuenta dos parmetros que son: la capacidad
de drenaje, que se calcula a travs del tiempo que toma el agua en
drenar del pavimento y el porcentaje de tiempo donde el pavimento
est sometido a niveles de humedad muy cercanos a la saturacin, en
el transcurso del ao. Este porcentaje depende de la precipitacin
media anual y de las condiciones de drenaje .La ASSHTO define 5
capacidades de drenaje, que podemos ver en la siguiente tabla.
Conforme a las capacidades de drenaje la ASSHTO establece los
factores de correccin m2 () y m3(), los cuales se pueden apreciar
en la siguiente tabla ,en funcin del porcentaje de tiempo en el
transcurso del ao , en el cual la estructura del pavimento est
expuesto a niveles de humedad prximos a la saturacin .
1.9- DETERMINACIN DEL NMERO ESTRUCTURAL SNEl mtodo est basado en
el clculo del Nmero Estructural SN sobre la capa subrasante o
cuerpo del terrapln. Para esto se dispone de la Figura IV.2 y de la
ecuacin siguiente:
donde:W18 = Trfico equivalente o ESALs.ZR = Factor de desviacin
normal para un nivel de confiabilidad RSo = Desviacin estndarPSI =
Diferencia entre los ndices de servicio inicial y el final
deseadoMR = Mdulo de resiliencia efectivo de la subrasanteSN =
Nmero estructural1.10- DETERMINACIN DE ESPESORES POR CAPASLa
estructura del pavimento flexible est formada por un sistema de
varias capas, por lo cual debe dimensionarse cada una de ellas
considerando sus caractersticas propias.Una vez que el diseador ha
obtenido el Nmero Estructural SN para la seccin estructural del
pavimento, se requiere determinar una seccin multicapa, que en
conjunto provea una suficiente capacidad de soporte, equivalente al
nmero estructural de diseo. Para este fin se utiliza la siguiente
ecuacin que permite obtener los espesores de la capa de rodamiento
o carpeta, de la capa base y de la sub-base:
donde:a1, a2 y a3 = Coeficientes estructurales de capa de
carpeta, base y sub-base respectivamente.D1, D2 y D3 = Espesor de
la carpeta, base y sub-base respectivamente, en pulgadas.m2 y m3 =
Coeficientes de drenaje para base y sub-base, respectivamente.De la
misma manera se deber obtener los coeficientes estructurales de la
carpeta asfltica (a1), de la capa base (a2) y de la sub-base (a3),
utilizando los valores del mdulo de resiliencia correspondientes a
cada una de ellas.Los coeficientes de capa a1, a2 y a3 se obtienen
utilizando las correlaciones de valores de diferentes pruebas de
laboratorio: Mdulo Resiliente, Texas Triaxial, Valor R y CBR, tal
como se muestra en las siguientes figuras:Para carpeta asfltica.
(a1) Figura IV.3Para bases granulares. (a2) Figura IV.4Para
sub-bases granulares. (a3) Figura IV.5Para bases estabilizadas con
cemento Figura IV.6Para bases estabilizadas con asfalto. Figura
IV.7Para capas estabilizadas con cemento o asfalto y para la
superficie de rodadura de concreto asfltico, el mtodo no considera
una posible influencia de la calidad del drenaje, por lo que en la
ecuacin de diseo solo intervienen los valores de m2 y m3.En Tabla
IV.8 se muestran los espesores mnimos para carpetas asflticas y
bases granulares, sugeridos en funcin del trnsito.
Figura IV.4. baco para estimar el nmero estructural de la capa
base granular a2. Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement
Structures 1993
Figura IV.5. baco para estimar el nmero estructural de la
sub-base granular a3. Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement
Structures 1993
1.11-ESPESORES MNIMOS EN FUNCIN DEL SNEn el control de los
espesores D1, D2 y D3, a travs del SN, se busca proteger las capas
granulares no tratadas, de las tensiones verticales excesivas que
produciran deformaciones permanentes, como se muestra en el grfico
siguiente.Los materiales son seleccionados para cada capa, de
acuerdo a las recomendaciones del mtodo, por ende se conocen los
mdulos resilientes de cada capa. Usando el baco de la figura IV.2
se determinan los nmeros estructurales requeridos para proteger
cada capa no tratada, utilizando el mdulo resiliente de la capa que
es encuentra inmediatamente por debajo, por ejemplo para sacar el
espesor D1 de la carpeta se considera el MR de la capa base y as se
obtiene el SN1 que debe ser soportado por la carpeta asfltica, de
donde:
Este procedimiento no es aplicable para determinar espesores
sobre capas que tengan un mdulo resiliente mayor a 40.000 psi (280
MPa). En este caso los espesores se determinaran mediante criterios
constructivos o de acuerdo a la relacin costo-eficiencia.
BIBLIOGRAFIA MONTEJO, Alonso. Ingeniera de pavimentos para
carreteras tomo I. 2da ed. Bogot: Universidad Catlica de Colombia
2002.
MINAYA. Silene y ORDOEZ. Abel. Manual de diseo de pavimentos.
2da ed. Lima. 2006
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON. Manual completo de diseo de
pavimentos.