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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA E.A.P. ING.CIVIL.

PAVIMENTOS MODULO II

2016-2017 Ms. Ing. Abner I. León Bobadilla – Ms. Ing. Luz E. Alvarez Asto

PAVIMENTOS

S E M A N A

Análisis de Tráfico. Ejercicios y Problemas. Calculo del CBR de Diseño. Propósito: Conocer cómo se obtiene el tránsito, aplicar una Metodología para el estudio de la demanda de tránsito, conocer la clasificación vial en el Perú. Aprender a seleccionar el CBR para el diseño de pavimentos

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I.- CLASIFICACION DE LA RED VIAL Según la jerarquización oficial del Perú, el sistema nacional de carreteras (SINAC) está compuesto por las siguientes vías.

Red vial internacional 

PAN Carretera Panamericana



INO Carretera Interoceánica



CMS Carretera Marginal de la Selva

Red vial nacional Son las carreteras de interés nacional formados por tres ejes longitudinales principales, denominadas con números impares:  PE-1: Longitudinal de la Costa, la parte peruana de la Carretera Panamericana, dividida en: −

PE-1N : Carretera Panamericana Norte

−

PE-1S: Carretera Panamericana Sur

 Longitudinal de la Sierra, dividida en: −

PE-3N : Longitudinal de la Sierra Norte

−

PE-3S: Longitudinal de la Sierra Sur

 PE-5: Longitudinal de la Selva, la parte peruana de la Carretera Marginal de la Selva, dividida en: −

PE-5N : Longitudinal de la Selva Norte

−

PE-5S: Longitudinal de la Selva Sur

Ms. ING. ABNER LEON BOBADILLA

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EN EL ÁMBITO NACIONAL Según el manual de Diseño Geométrico de Carreteras (DG 2001) aprobado por el MTC, se clasifica la Red Vial Nacional según su función, de acuerdo a la demanda o según sus condiciones orográficas, es así que: a) Según su función, la Red Vial Nacional se clasifica en tres grandes Rubros:  Red Vial Primaria o Red Vial Nacional, que está conformada por carreteras que unen las principales ciudades de la nación con puertos y fronteras;  Red Vial Secundaria o Red Vial Departamental, que está constituida por la red vial circunscrita principalmente en la zona de un departamento, división política de la nación o en zonas de influencia económica, estas constituyen redes troncales departamentales;  Red Vial Terciaria o Red Vecinal, que está compuesta por caminos troncales vecinales que unen pequeñas poblaciones. b) De acuerdo a la Demanda, tenemos:  Autopistas, carreteras con un IMDA superior a 4000 veh/día, de calzadas separadas, con uno o más carriles, con control total de accesos (ingreso y salida) que proporcional flujo vehicular completamente continuo.  Carreteras Duales o multicarril, carreteras con un IMDA superior a 4000 veh/día, de calzadas separadas, con uno, dos o más carriles; con control parcial de accesos.  Carreteras de1ra Clase, son aquellas con un IMDA entre 4000 a 2001 veh/dia de una calzada de dos carriles (DC)  Carreteras de 2da Clase, son aquellas de una calzada de dos carriles (DC) que soportan un IMDA de 2000 a 401 veh/día.  Carreteras de 3ra Clase, son aquellas de una calzada que soportan un IMDA menor a 400 veh/día  Trochas carrozables, es la categoría mas baja de camino transitable para vehículos automotores, construido con un mínimo movimiento de tierras, que el permite el paso de un solo vehículo. c) Según su condiciones Orográficas, se subdividen en cuatro  Tipo 1, permite a los vehículos pesados mantener aproximadamente la misma velocidad que los vehículos ligeros. La inclinación transversal del terreno, normal al eje de la vía, es menor o igual a 10%  Tipo 2, es la combinación de alineamiento horizontal y vertical que obliga a los vehículos pesados a reducir velocidades significativamente por debajo de las de los vehículos de pasajeros, sin ocasionar el que aquellos operen a velocidades sostenidas en rampa por un intervalo de tiempo largo. La inclinación transversal del terreno normal al eje de la vía, varía entre 10 y 50%.  Tipo 3, es la combinación de alineamiento horizontal y vertical que obliga a los vehículos pesados a reducir a velocidad sostenida en rampa durante distancias considerables o a intervalos frecuentes. La inclinación transversal del terreno, normal al eje de la vía, varía entre 50 y 100%.  Tipo 4, es la combinación de alineamiento horizontal y vertical que obliga a los vehículos pesados a operar a menores velocidades sostenidas en rampa que aquellas a las que operan en terreno montañoso, para distancias significativas o a intervalos muy frecuentes. La inclinación transversal del terreno, normal al eje de la vía, es mayor de 100%.

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EN EL ÁMBITO URBANO Un sistema vial completamente funcional provee para una serie de movimientos de distintas características dentro de un viaje. Hay seis etapas dentro de la mayoría de los viajes: movimiento principal, transición, distribución, colección, acceso y final. La jerarquía de movimientos en áreas urbanas se ilustra en la Figura 1. Sin embargo, la clasificación de vialidades es un poco complicada en áreas urbanas, ya que debido a la alta densidad y usos de suelo, los centros específicos de generación de viajes son muy difíciles de identificar; por lo tanto se deben tomar en cuenta consideraciones adicionales, tales como continuidad de las vialidades, distancia entre intersecciones, accesibilidad, de manera de poder definir una red lógica y eficiente

Clasificación Funcional de Sistemas Viales Urbanos Los cuatro sistemas funcionales de vialidades para áreas urbanas son las arterias principales y las arterias menores (vialidad primaria), los colectores (vialidad secundaria) y las calles locales. a) Sistema de Arterias Urbanas Principales Este tipo de sistema sirve a los mayores centros de actividad en áreas urbanas, los corredores con los más altos volúmenes vehiculares, los deseos de viaje más largos y lleva una proporción alta de la totalidad de los viajes urbanos a pesar de que constituyen un pequeño porcentaje de la red vial total de la ciudad. Este tipo de sistemas incluyen autopistas y arterias principales con control de acceso parcial o sin control de acceso. b) Sistema de Arterias Urbanas Menores Este sistema se interconecta y complementa al sistema anterior. Incluye a todas las arterias no clasificadas como principales. Este sistema pone más énfasis en acceso y ofrece menos movilidad de tránsito que el sistema inmediatamente superior. Este sistema puede servir a rutas de autobuses locales y proveer continuidad entre comunidades, pero idealmente, no debería penetrar vecindarios. c) Sistema de Colectores Urbanos Este sistema provee acceso y circulación de tránsito dentro de vecindarios residenciales, áreas comerciales e industriales. Este sistema colecta tránsito de calles locales y los canaliza hacia el sistema de vialidades primarias.

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d) Sistema de Calles Locales Este sistema permite acceso directo a generadores de viajes, conectándolos con los sistemas de vialidades superiores. Ofrece el nivel más bajo de movilidad y por lo general, no debiera llevar rutas de autobuses (por deficiencias en los sistemas viales de nuestras ciudades, esto muchas veces no se cumple). Longitud de la Red Vial por Tipo de Superficie de Rodadura La red vial en el Perú está compuesta por más de 78.000 km de carreteras, organizada en tres grandes grupos: las carreteras longitudinales, las carreteras de penetración y las carreteras de enlace. La categorización de las carreteras corre a cargo del Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú (MTC). Por la calidad y el tipo de vehículos que las recorre podemos clasificar las vías peruanas en 3 categorías: autopistas, carreteras asfaltadas y caminos afirmados:  Las autopistas cuentan con dos carriles principales y uno de seguridad en cada sentido de circulación, separados por una berma y poseen buena señalización. En el Perú existen cerca de 300 km de autopistas que corresponden a los tramos de acceso norte y sur a Lima a través de la Carretera Panamericana. Gracias a la concesión a empresas privadas de varias rutas, el número de kilómetros superará los 1,000 km en pocos años.  Las carreteras asfaltadas sólo cuentan con un carril principal y una berma de seguridad en cada sentido de circulación, separadas por un interlineado. En este tipo de vía la señalización y los servicios básicos varían en relación a la cercanía de las ciudades principales.  La mayor parte de las vías peruanas son caminos afirmados construidos en base a tierra y ripio. Existen 3 tipos de caminos afirmados en el Perú: los que pertenecen a la red nacional, los caminos secundarios y vecinales y las trochas carrozables II- DEFINICIONES Las siguientes definiciones son comúnmente usadas en Ingeniería de Tránsito: Volumen: Cantidad de vehículos que pasa sobre una sección de vía durante un periodo de tiempo. TPDA ó VDPA ó IMDA: Volumen diario promedio anual VDPA = (Volumen Anual Total)/365 TPDS o VDPS: volumen promedio diario semanal VDPS = (Volumen semanal)/7 VDP: Volumen diario promedio VDP = Volumen Total en “N” días/ N Volumen en Hora de Máxima Demanda: Es la cantidad de vehículos que pasa sobre una sección de vía durante 60 minutos consecutivos. VHDD: Volumen Horario Direccional de Diseño VHDD = VDPA x K x D Donde, K = % de VDPA en la hora de máxima demanda D = % de volumen en la hora de máxima demanda en la dirección mas marcada.

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Tasa de Flujo: Expresión horaria del de la cantidad de vehículos que pasa por una sección de vía por un periodo menor a una hora Factor de la Hora de Máxima Demanda: relación del volumen de la hora de máxima demanda a la tasa de volumen máxima dentro de la hora pico. FHMD = (Volumen en la Hora de Máxima Demanda) / (4 x Vol. Max. 15 min.) Velocidad: Tasa de movimiento del tránsito Velocidad de Punto: Velocidad a la cual un vehículo pasa un punto en la vía. Velocidad de Marcha: Distancia total recorrida dividida por el tiempo requerido en recorrerla. Velocidad de Marcha Promedio: Distancia total recorrida por todos los vehículos en el volumen de tránsito, dividida por el tiempo de viaje total para todos los vehículos. Velocidad de Proyecto: Es la velocidad máxima (segura) que se puede mantener sobre un tramo especifico de vía cuando las condiciones son lo suficientemente favorables para que las características de diseño de la vía gobiernen la operación del vehículo. Densidad: Cantidad de vehículos ocupando un tramo de vía en un instante dado (VPK)

AFORO VEHICULAR (CONTEO) Definiciones  Transito Anual (TA), es el número de vehículos que pasan durante un año  Transito Mensual (TM ), es el número de vehículos que pasan durante un mes  Transito Semanal (TS), es el número de vehículos que pasan durante una semana  Tránsito Diario (TD), es el número total de vehículos que pasan durante un día  Tránsito Horario (TH), es el número de vehículos que pasan durante una hora.  Volúmenes de Tránsito: Es el número de vehículos que pasa un punto determinado durante un periodo específico de tiempo.  Densidad de Tránsito: Es el número de vehículos que ocupan una unidad de longitud de carretera en un instante dado. Por lo general se expresa en vehículos por kilómetro.  Intensidad o Volumen Medio Diario (VMD): Es el volumen total que pasa por una sección transversal o por un segmento de una carretera, en ambos sentidos, durante un año, dividido entre el número de días en el año. Se puede obtener también para un solo sentido  Volumen Horario de Diseño (VHD): Es el volumen horario futuro utilizado para diseño.  Relación entre el Volumen Horario de Diseño (VHD) y el Volumen Medio Diario  (VMD): El volumen horario de diseño se expresa a menudo como un porcentaje del volumen medio diario. El rango normal está entre un 12% y un 18 % para ambos sentidos, y un 16% a un 24% para un solo sentido.  Distribución Direccional: Es el volumen durante una hora en particular en el sentido predominante expresado como un porcentaje del volumen en ambos sentidos durante la misma hora.  Composición del Tránsito: Vehículos pesados o de transporte público expresados (excluyendo vehículos livianos, con una relación peso/potencia similar a vehículos privados) como un porcentaje del volumen horario de diseño.  Volumen Horario: Es el número de vehículos que pasan por un punto en un periodo de tiempo de una hora. El volumen horario de máxima demanda es el máximo número de vehículos que transcurren durante 60 minutos consecutivos, denominados también

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"Horas Punta". Estos volúmenes proyectados se emplean para planificar obras, proyectar los detalles geométricos de las vías, determinar su posible deficiencia en capacidad y planear programas para regular el tránsito, de acuerdo al nivel de servicio que se le asigne.  Composición de los Volúmenes: Los volúmenes de tránsito están compuestos por unidades muy heterogéneas, cuyas características afectan al flujo de tránsito e intervienen en el diseño geométrico y estructural de las vías.  Tramo homogéneo: sección de la carretera con características geométricas o volumen de tránsito similar.

Uso de datos de Volúmenes de tránsito La información sobre volúmenes de tránsito es de gran utilidad en la planeación del transporte, diseño vial, operación del tránsito e investigación. Varios tipos de estudios de volúmenes y sus aplicaciones se ilustran en la siguiente tabla.

Métodos de Muestreo A continuación se enumeran las modalidades más comúnmente usadas para aforos de tránsito. a) Aforos Manuales: Son aquellos que registran a vehículos haciendo trazos en un papel o con contadores manuales. Mediante éstos es posible conseguir datos que no pueden ser obtenidos por otros procedimientos, como clasificar a los vehículos por tipo, número de ellos que giran u ocupantes de los mismos. Los recuentos pueden dividirse en 30 minutos e incluso 15 cuando el tránsito es muy denso. Para hacer los recuentos se deben preparar hojas de campo.  Se usan por lo general para contabilizar volúmenes de giro y volúmenes clasificados.  La duración del aforo varía con el propósito del aforo. Algunos aforos clasificados pueden durar hasta 24 horas.  El equipo usado es variado; desde hojas de papel marcando cada vehículo hasta contadores electrónicos con teclados. Ambos métodos son manuales.  Durante periodos de tránsito alto, es necesaria más de una persona para efectuar los aforos. La exactitud y confiabilidad de los aforos depende del tipo y cantidad del personal, instrucciones, supervisión y la cantidad de información a ser obtenida por cada persona.

b) Contadores Mecánicos: Son aquellos que emplean instrumentos para realizar el registro de vehículos, sin que se requiera de personal permanente. Estos instrumentos se basan en principios como el

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de la célula fotoeléctrica, presiones en planchas especiales o por medio de detectores magnéticos o hidráulicos. Atendiendo a su movilidad los contadores pueden ser fijos o portátiles. Los fijos se usan para hacer recuentos continuos en ciertos lugares, mientras que los portátiles son más ligeros y se utilizan para hacer recuentos parciales durante periodos de tiempo limitados Contadores permanentes son usados para aforar el tránsito continuamente. Es usado a menudo para estudios de tendencias. Pueden ser actuados por células fotoeléctricas, detectores magnéticos y detectores de lazo. c) Contadores Portátiles: Toman nota de los volúmenes aforados cada hora y 15 minutos, dependiendo del modelo. Pueden ser tubos neumáticos u otro tipo de detector portátil. Entre sus ventajas se cuentan: una sola persona puede mantener varios contadores y, además, proveen aforos permanentes de todas las variaciones del tránsito durante el periodo del aforo. Entre sus desventajas se cuentan: no permiten clasificar los volúmenes por tipo de vehículo y movimientos de giro y muchas veces se necesitan aforos manuales ya que muchos contadores (en particular los de tubo neumático) cuentan más de un vehículo cuando son accionados por vehículos de más de un eje o por vehículos que viajen a velocidades bajas. d) Método del Vehículo en Movimiento: Este método se emplea para obtener volúmenes de tránsito en un tramo de la vía urbana, sirviendo además para determinar tiempos y velocidades de recorrido medias. Para aplicar este método se emplea un vehículo con su conductor, que recorre el tramo de vía considerado a la velocidad media de la corriente de tránsito, acompañado de uno o más observadores que deben registrar el tiempo que tarda el tramo de la vía considerado, los vehículos que se cruzan con él y están en sentido contrario, los vehículos pasados y los que se adelantan a él, en el mismo sentido. Estudios sobre Volúmenes de Tránsito: Estos estudios se realizan para conocer los volúmenes de tránsito que circulan por una vía, por parte de ella, o por un sistema de ellas y constituyen la fuente primaria de información para distribuir y proyectar volúmenes de tránsito. Existen diferentes tipos de estudios según el lugar donde se realicen y el objeto de estudio, tales como: estudios en lugares aislados, estudios en sistemas de vías rurales, urbanas y estudios en cordones. Estudios en lugares aislados: Se realizan para obtener información sobre volúmenes de tránsito en un lugar específico. Sus resultados se pueden usar para proyectar vías, hacer análisis sobre su capacidad, establecer las fases de semáforos y para muchos otros fines. Estos estudios se llevan a cabo en los lugares donde se necesite la información y su duración suele ser de 48 horas a una semana si se utilizan contadores automáticos y solamente durante las horas que interesen (como las de volúmenes máximos) cuando los recuentos se efectúan en forma manual, se acostumbra emplear recuentos manuales de 15 minutos

El Índice Medio Diario Anual de Tránsito (IMDA). El Índice Medio Diario Anual de Transito (IMDA) representa el promedio aritmético de

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los

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volúmenes diarios para todos los días del año previsible o existente en una Sección dada de la vía. Su conocimiento da una idea cuantitativa de la importancia de la vía en la sección considerada y permite realizar los cálculos de factibilidad económica

Volumen y composición o clasificación de los vehículos (carreteras existentes)

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Variaciones horarias de la demanda

Variaciones diarias de la demanda

Variaciones estaciónales (mensuales)

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Calculo del CBR de Diseño. Un metodo de diseño de pavimento debe incluir recomendaciones con respecto al espesor mínimo de concreto asfaltico necesario para reducir deterioros a límites tolerables para un periodo de diseño dado. El análisis de datos indica que el talud de la presión por deflexión (Tan Ø) no depende únicamente del espesor de la carpeta asfáltica sino que se debe considerar, ademas el CBR del material de la capa de base Las muestras de los ensayos deben obtenerse lo más cerca Posible al nivel previsto de la subrasante, en caso de tramos rellenos es necesario predeterminar el espesor necesario. Con los ensayos de identificación se establece l perfil de suelos, si este perfil muestra que existe una variación no sistemática en los tipos de suelo se deben hacer ensayos adicionales al azar dentro de los límites de cada tipo de suelo, si la variación es sistemática, el lineamiento se subdividirá en tramos según los tipos predominantes. Si las variaciones se producen en distancias muy cortas, que no justifican diseños distintos, se optara por un diseño singular basado en las características más desfavorables. Se programara un número suficiente de ensayos CBR para determinar estadísticamente el valor de diseño de la resistencia de la subrasante. Se recomienda que en cada tramo se realicen de 6 a 8 de estas pruebas. En caso de que un testigo tenga el valor muy bajo que evidencia un sector demasiado débil, se debe delimitar con ensayos adicionales tal área, que requiera incremento de espesor del pavimento o mejoramiento de la subrasante para obtener uniforme en todo el tramo en estudio. Los valores representativos de estos sectores se omitirán en los cálculos del CBR de la subrasante de diseño.

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EJEMPLO 01 Siete ensayos en la subrasante han arrojado los siguientes resultados: 5.0, 4.3, 4.0, 3.8, 3.5, 3.0. Determinar el valor CBR de diseño para volúmenes de tráfico de 10,000 EAL, 100,000EAL y 1000,000EAL

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Luego el CBR de diseño será:

EJEMPLO 02

Se tienen los siguientes valores de CBR que deben ser al 95%:12, 12.5, 13, 11, 10.5, 12, 13.8, 10, 3.6, 9.5, 11, 12. Teniendo como EAL=9,500 y EAL=800,000

Solución CBR Cant. 13.8 13 12.5 12 11 10.5 10 9.5

1 1 1 3 2 1 1 1

Cant de números ≥ que 1 2 3 6 8 9 10 11

%≥ que 1/11x 100 = 9% 18% 27% 55% 73% 82% 91% 100%

Nota; el CBR de valor 3.6 es descartado porque es una valor anómalo y no se considera porque no son representativos.

Ahora realizamos el gráfico para encontrar el CBR de diseño en funcion de la carga:

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Caso 1: como se tiene una carga vehicular de EAL=9,500 VP = 60%

Entonces del grafico el CBR DISEÑO = 11.8

Caso 2: como se tiene una carga vehicular de EAL=800,000 VP = 60%

Entonces del grafico el CBR DISEÑO = 10.8

RECUERDA QUE cuando el vehículo

esta descargado aporta la carga del eje delantero. Pero para el análisis siempre deben ser cargados.

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S E M A N A

Diseño de Pavimentos Flexibles, Método de AASHTO 1993 INTRODUCION AL AASTHO2002 Propósito: Conocer los conceptos y fundamentos tecnológicos básicos de los pavimentos para aplicarlos en las prácticas y/ o trabajos a realizar.

7 METODO AASHTO Reseña Histórica A lo largo del tiempo el diseño de pavimento flexible según el método de la AASHTO ha sufrido constantes modificaciones, según las nuevas condiciones en las que trataban al pavimento asfáltico, Los primeros métodos de Diseño de Pavimentos se remontan a tiempos anteriores a la década del 20. En ese tiempo los diseños se hacían en base a la experiencia y al sentido común del proyectista, por lo que eran métodos poco confiables. Este método está desarrollado en la publicación AASHTO “Guide for Desing of Pavement Structures”. En la guía se incluye el diseño para pavimentos flexibles y de concreto. Esta primera guía fue editada en 1962, fue evaluada y revisada en 1972 y 1981. Entre 1984 y 1985, el Subcomité en Diseño de Pavimentos y consultores revisaron la guía en vigencia, dando como resultado nacimiento de la “AASHTO” (1986) con muchas variaciones con respecto a las versiones anteriores. En 1993 se publica una nueva versión de la guía, pero sin cambios en lo que concierne el diseño de pavimentos rígidos. En el año 2004, después de varios años de investigación en los Estados Unidos como parte del proyecto NCHRP 1-37ª “Development for the 2002 Guide for Design of New and Rehabilitated Pavement Structures” fueron publicados inicialmente manuales y reportes (habiendo sido revisados y mejorados antes de ser utilizados con fines prácticos) y en el 2008, AASHTO publicó un manual del MEPDG, La Nueva Guía de Diseño de Pavimentos Mecanístico-Empírico (Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide - MEPDG) para el uso práctico en el diseño de pavimentos. Utilizando el MEPDG, las alternativas de las estructuras de pavimento son evaluadas para verificar su desempeño a lo largo de su vida en servicio. Los modelos de comportamiento son basados en las propiedades de los materiales para evaluar la probabilidad de falla. Como podemos ver a lo largo de la historia la asshto ha ido modificando su método de diseño, y en nuestro país este último método está en una etapa de adaptación y es por ello que actualmente se utiliza el método aashto 93.

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Método De Diseño El diseño del pavimento, utilizando el Método AASHTO, basado en las ecuaciones originales de la AASHO actualmente AASHTO Road Test, datan de 1961, producto de las pruebas en Ottawa, Illinois, con tramos a escala natural y para todo tipo de pavimentos. La versión de 1986 y la de 1993(GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURE 1993); así como la del 2008 se han modificado para incluir factores o parámetros de diseño que no habían sido considerados y que son producto de la experiencia adquirida por ese organismo entre el método original y su versión más moderna. Para este informe de investigación se ha va a utilizar el Método AASHTO, versión 1993 (GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURE 1993). El cual consiste en determinar el Número Estructural (SN) para el pavimento flexible que pueda soportar el nivel de carga solicitado, en función del Módulo Resiliente de la subrasante (Mr), número de ejes standard anticipado (W18), Confiabilidad (R%), Desviación Standard total (S0), pérdida de serviciabilidad ( PSI) e índices estructurales del pavimento. Los valores del número estructural se determinan mediante la aplicación de la ecuación de diseño indicada en la Grafica N0 05 del método de diseño. Grafica NO01: Valores Del Número Estructural

Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993

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Antes de entrar en la descripción detallada interesa presentar los conceptos básicos del método AASHTO de dimensionamiento de firmes. 1. Transito. Las cargas de los vehículos son transmitidas al pavimento mediante dispositivos de apoyo multiruedas para determinar la carga total sobre una superficie mayor, con el fin de reducir las tensiones y deformaciones que se producen al interior de la superestructura. El tráfico es uno de los parámetros más importantes para el diseño de pavimentos. Para obtener este dato es necesario determinar el número de repeticiones de cada tipo de eje durante el periodo de diseño, a partir de un tráfico inicial medido en el campo a través de aforos. El número y composición de los ejes se determina a partir de la siguiente información:

       

Periodo de diseño.

Distribución de ejes solicitantes en cada rango de Cargas. Tránsito medio diario anual de todos los vehículos TMDA o TPDA. Tasas de crecimiento anuales de cada tipo de vehículo. Sentido del tráfico. Número de carriles por sentido de tráfico. Porcentaje del tránsito sobre el carril más solicitado. Índice de serviciabilidad. Factores de equivalencia de carga.

Para el cálculo del tránsito, el método contempla los ejes equivalentes sencillos de 18,000 lb (8.2 ton) acumulados durante el período de diseño, por lo que no ha habido grandes cambios con respecto a la metodología original de AASHTO. La ecuación siguiente puede ser usada para calcular el parámetro del tránsito W18 en el carril de diseño.

Dónde: W18 = Tránsito acumulado en el primer año, en ejes equivalentes sencillos de 8.2 ton, en el carril de diseño. DD = Factor de distribución direccional; se recomienda 50% para la mayoría de las carreteras, pudiendo variar de 0.3 a 0.7, dependiendo de en qué dirección va el tránsito con mayor porcentaje de vehículos pesados. w18 = Ejes equivalentes acumulados en ambas direcciones. DL = Factor de distribución por carril, cuando se tengan dos o más carriles por sentido. a. Tránsito Medio Diario Anual: El TMDA representa el promedio aritmético de los volúmenes diarios de tránsito aforados durante un año, en forma diferenciada para cada tipo de vehículo. b. Tasa De Crecimiento Representa el crecimiento promedio anual del TMDA. Generalmente las tasas de crecimiento son diferentes para cada tipo de vehículo. c. Proyección Del Tránsito El tránsito puede proyectarse en el tiempo en forma aritmética con un crecimiento constante o exponencial mediante incrementos anuales.

d. Modelos De Crecimiento

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En la Grafica NO02, se observa que la proyección aritmética supone un crecimiento más rápido en el corto plazo y se subestima el tránsito en el largo plazo. En base a las estadísticas es conveniente definir que curva se ajusta mejor al tránsito generado por una carretera. Grafica NO02: Modelos De Crecimiento Del Transito

FUENTE: Metodologías De Diseño De Pavimentos Flexibles: Tendencias, Alcances Y Limitaciones

e. Factor De Crecimiento Una forma sencilla de encontrar el factor de crecimiento es adoptar una tasa de crecimiento anual y utilizar el promedio del tráfico al principio y al final del periodo diseño. La AASHTO recomienda calcular el factor de crecimiento para el tráfico de todo el periodo de diseño:

Donde: r = tasa de crecimiento anual en decimales P = periodo de diseño en años. Los valores del factor de crecimiento para diferentes tasas anuales y periodos de diseño se muestran en la tabla siguiente, de acuerdo al criterio de la AASHTO: Tabla N01: Factor de Crecimiento

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Donde r = tasa/100 y no debe ser nula. Si ésta es nula, el factor es igual al período de análisis.

f. Distribución Direccional A menos que existan consideraciones especiales, se considera una distribución del 50% del tránsito para cada dirección. En algunos casos puede variar de 0,3 a 0,7 dependiendo de la dirección que acumula mayor porcentaje de vehículos cargados. g. Factor De Distribución Por Carril En una carretera de dos carriles, uno en cada dirección, el carril de diseño es uno de ellos, por lo tanto el factor de distribución por carril es 100%. Para autopistas multicarriles el carril de diseño es el carril exterior y el factor de distribución depende del número de carriles en cada dirección que tenga la autopista. En la tabla siguiente se muestran los valores utilizados por la AASHTO. Tabla N02: Factor De Distribución Por Carril.

FUENTE: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993. h. Tránsito Equivalente Los resultados obtenidos por la AASHTO en sus tramos de prueba mostraron que el daño que producen distintas configuraciones de ejes y cargas, puede representarse por un número equivalente de pasadas de un eje simple patrón de rueda doble de 18 kips (80 kN u 8,2 Ton.) que producirá un daño similar a toda la composición del tráfico. i. Factores Equivalentes De Carga (Lef) La conversión del tráfico a un número de ESAL’s de 18 kips (Equivalent Single Axis Loads) se realiza utilizando factores equivalentes de carga LEFs (Load Equivalent Factor). Estos factores fueron determinados por la AASHTO en sus tramos de prueba, donde pavimentos similares se sometieron a diferentes configuraciones de ejes y cargas, para analizar el daño producido y la relación existente entre estas configuraciones y cargas a través del daño que producen.El factor equivalente de carga LEF es un valor numérico que expresa la relación entre la pérdida de serviciabilidad ocasionada por una determinada carga de un tipo de eje y la producida por el eje patrón de 18 kips.

Los factores equivalentes de carga de la AASHTO están tabulados en función de cuatro parámetros: tipo de eje (simple, tandem, tridem), índice de serviciabilidad final (2, 2,5 y 3), carga por eje, y número estructural SN del pavimento (de 1 a 6”).

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j. Factor De Camión Para expresar el daño que produce el tráfico, en términos del deterioro que produce un vehículo en particular, hay que considerar la suma de los daños producidos por cada eje de ese tipo de vehículo. De este criterio nace el concepto de Factor de Camión, que se define como el número de ESAL’s por número de vehículo. Este factor puede ser calculado para cada tipo de camiones, o para todos los vehículos como un promedio de una determinada configuración de tráfico.

Se ha demostrado que el eje delantero tiene una mínima influencia en el daño producido en el pavimento, por ejemplo en el ahuellamiento, la fisuración y la pérdida de serviciabilidad su participación varía de 0,13 al 2,1 %. Por esta razón el eje delantero no está incluido en los factores de equivalencia de carga, lo cual no afecta a la exactitud del cálculo. k. Periodo De Diseño Se define como el tiempo elegido al iniciar el diseño, para el cual se determinan las características del pavimento, evaluando su comportamiento para distintas alternativas a largo plazo, con el fin de satisfacer las exigencias del servicio durante el periodo de diseño elegido, a un costo razonable. Generalmente el periodo de diseño será mayor al de la vida útil del pavimento, porque incluye en el análisis al menos una rehabilitación o recrecimiento, por lo tanto éste será superior a 20 años. Los periodos de diseño recomendados por la AASHTO se muestran en la Tabla N07 Tabla N03: Periodos de Diseño en Función del Tipo de Carretera

FUENTE: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993. 2. Confiabilidad “R” El nivel de confianza o Confiabilidad “R” es uno de los parámetros importantes introducidos por la AASHTO al diseño de pavimentos, porque establece un criterio que está relacionado con el desempeño del pavimento frente a las solicitaciones exteriores. La confiabilidad se define como la probabilidad de que el pavimento diseñado se comporte de manera satisfactoria durante toda su vida de proyecto, bajo las solicitaciones de carga e intemperismo, o la probabilidad de que los problemas de deformación y fallas estén por debajo de los niveles permisibles. En otras palabras con este parámetro, se trata de llegar a cierto grado de certeza en el método de diseño, para asegurar que las diversas alternativas de la sección estructural que se obtengan, durarán como mínimo el período de diseño. Para elegir el valor de este parámetro se considera la importancia del camino, la confiabilidad de la resistencia de cada una de las capas y el tránsito de diseño pronosticado.

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Tabla N04: Valores Del Nivel De Confianza De Acuerdo Al Tipo De Camino.

FUENTE: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993. 3. Desviación Estándar normal “Zr”. Este parámetro está ligado directamente con la Confiabilidad (R), descrita en el ítem 2. La esquematización del comportamiento real del pavimento y la curva de diseño propuesta por la AASHTO tienen la misma forma pero no coinciden. La falta de coincidencia se debe a los errores asociados a la ecuación de comportamiento propuesta y a la dispersión de la información utilizada en el dimensionamiento del pavimento. Por esta razón la AASHTO adoptó un enfoque regresional para ajustar estas dos curvas. De esta forma los errores se representan mediante una desviación estándar So, para compatibilizar los dos comportamientos. El factor de ajuste entre las dos curvas se define como el producto de la desviación normal ZR, por la desviación estándar So. Los factores de desviación normal ZR se muestran en la siguiente tabla: Tabla N05: Factores de Desviación Normal

FUENTE: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993. Si la construcción se va a realizar por etapas, la vida útil ha de ser menor al periodo de análisis (vida útil < periodo de análisis), en este saco se deben considerar las confiabilidades de todo el periodo de diseño, de donde resulta que:

Dónde: n = número de etapas prevista

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4. Desviación Estándar global o total “So”. Una vez elegido un nivel de confianza y obtenidos los resultados del diseño, éstos deberán ser corregidos por dos tipos de incertidumbre: la confiabilidad de los parámetros de entrada, y de las propias ecuaciones de diseño basadas en los tramos de prueba. Para este fin, se considera un factor de corrección que representa la desviación estándar, de manera reducida y simple, este factor evalúa los datos dispersos que configuran la curva real de comportamiento del pavimento. La desviación estándar global es la desviación de la población de valores obtenidos por AASHTO que involucra la variabilidad inherente a los materiales y a su proceso constructivo. En este paso deberá seleccionarse un valor So “Desviación Estándar Global”, representativo de condiciones locales particulares, que considera posibles variaciones en el comportamiento del pavimento y en la predicción del tránsito. El rango de desviación estándar sugerido por AASHTO se encuentra entre los siguientes valores: 0,40 ≤ So ≥ 0,50 (So = desviación estándar) En la tabla 6,, se muestran valores para la desviación estándar. Tabla N06: Valores Para La Desviación Estándar CONDICIÓN DE DISEÑO DESVIACIÓN ESTÁNDAR (S0) Pav. rígido Pav. flexible Variación en la predicción del comportamiento 0.30 0.40 del pavimento sin errores en el tránsito. Variación en la predicción del comportamiento 0.45 0.50 del pavimento con errores en el tránsito. FUENTE: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993. 5. Pérdida o Diferencia entre Índices de Servicio Inicial y Terminal. Se define el Índice de Serviciabilidad como la condición necesaria de un pavimento para proveer a los usuarios un manejo seguro y confortable en un determinado momento. La disminución del índice de servicio, representa una pérdida gradual de la calidad de servicio de la carretera, originada por el deterioro del pavimento. Inicialmente se cuantificó la servicialidad a través de la opinión de los conductores, en otras palabras, un pavimento en perfecto estado se le asigna un valor de servicialidad inicial que depende del diseño de pavimento y de la calidad de la construcción, de 5 ( perfecto); y un pavimento en franco deterioro o con índice de Serviciabilidad final que depende de la categoría del camino y se adopta en base a esto y al criterio del proyectista, con un valor de 0(pésimas condiciones) a la diferencia entre estos valores se les conoce como la perdida de Serviciabilidad o sea el índice de Serviciabilidad presente. Tabla N07: Valores Para El Índice De Serviciabilidad

FUENTE: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993.

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Actualmente, El cambio o pérdida en la calidad de servicio que la carretera proporciona al usuario, se define en el método con la siguiente ecuación:

Donde: PSI = Índice de Servicio Presente ∆PSI = Diferencia entre los índices de servicio inicial u Original y el final o terminal deseado. po = Índice de servicio inicial Pt = Índice de servicio terminal  Índice De Serviciabilidad Inicial (po) Se establece como la condición original del pavimento inmediatamente después de su construcción o rehabilitación. El índice de Serviciabilidad inicial se basa en función directa del diseño de la estructura de pavimento y de la calidad con que se construye la carretera. AASHTO’93 estableció (si no se tiene información disponible para diseño) los siguientes valores: Tabla N08: Valores Para El Índice De Serviciabilidad Inicial Índice De Serviciabilidad Inicial (po) Tipo De Pavimento Valor Inicial Deseable (Po) Pavimentos Rígidos 4,5 Pavimentos Flexibles 4,2 Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993  Índice De Serviciabilidad Final (Pt) Se establece como la condición de la superficie del pavimento que no cumple con las expectativas de comodidad y seguridad exigidas por el usuario, representa al valor más bajo capaz de ser tolerado por el pavimento, antes de que sea necesario rehabilitar mediante un refuerzo o reconstrucción del pavimento. Este índice (pt) está en función de la categoría del camino (el valor asumido depende de la importancia de la carretera), y del criterio del proyectista, los valores que se recomiendan por experiencia son: Tabla N09: Valores Para El Índice De Serviciabilidad Final Índice De Serviciabilidad final(pt) Tipo de transito Valor final (Pt) Transito mayor 2,5 o mas Transito menor 2,0

Tipo de carretera Principales Secundarias

Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993

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6. Módulo De La Resiliencia Es una medida de la propiedad elástica del suelo, reconociéndole ciertas características no lineales. El módulo resiliente es un parámetro que se utiliza para comprobar el estado de una capa de firme. Nos da una idea de la calidad de la capa y de la durabilidad, ya que se obtiene al aplicar cargas cíclicas, lo cual origina un estado tensional similar al de servicio. El módulo de Resiliencia se puede usar directamente en el diseño de pavimentos flexibles. Este ensayo fue desarrollado a los efectos de estudiar una propiedad del material que describa mejor el comportamiento del suelo bajo cargas dinámicas de ruedas. Una rueda que se mueve imparte un pulso dinámico a todas las capas de pavimento y a la Subrasante. Como respuesta a este pulso dinámico, cada capa de pavimento sufre una deflexión. El pulso solicitante varía desde un valor muy bajo hasta un máximo en un breve periodo en función de la velocidad del vehículo. Este no es un ensayo a rotura y las muestras no fallan durante la ejecución del mismo, el ensayo provee una indicación del comportamiento del material bajo cargas repetidas. A medida que el material está sujeto a la acción de la carga, se deforma y recupera cuando se quita la carga, sin embargo, el material nunca se recupera a su forma original y alguna deformación permanente ocurre. Esta deformación se denomina plástica, mientras que la deformación recuperable es la deformación resiliente. La magnitud relativa de las deformaciones plástica y resiliente influencian el comportamiento del material. Las muestras son cilíndricas y se confinan en una cámara triaxial que permite una gran variedad de presiones de confinamiento a aplicar a la probeta. Mediante un dispositivo especial se puede aplicar cargas pulsantes de distinta magnitud y duración. En el ensayo se registra la deformación sufrida por la probeta. En el ensayo se registra:

a. La carga aplicada mediante una célula de carga electrónica. b. La presión de confinamiento mediante el medidor de presiones. c. La deformación que sufre la probeta. Para suelos finos interesa conocer la tensión desviante σd = σ1 - σ3 Para los suelos granulares la tensión volumétrica θ3 = σ1 + σ2 + σ3 Las cargas dinámicas repetidas producen en la probeta una deformación vertical, que tiene dos componentes: εP = Deformación permanente, que no se recupera cuando cesa la carga. εR = Deformación Resiliente, que es recuperable cuando deja de actuar la carga La relación entre las deformaciones verticales y la carga siguiente:

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desviante se muestra en la figura

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Grafica NO03: Relación Entre Deformación Vertical Y Carga Desviante.

Fuente: Ayllón Acosta Jaime, Guía para el Diseño de Pavimentos de Concreto Asfáltico.

Para determinar el módulo resiliente se registra toda la deformación axial de la probeta a lo largo del ensayo y se calcula con la siguiente expresión: MR = σd / εR εR tiene la misma definición del módulo de Young, aplicada a solicitaciones transilientes de corta duración. Para el diseño de pavimentos flexibles deben utilizarse valores medios resultantes de los ensayos de laboratorio, las diferencias que se puedan presentar están consideradas en el nivel de confiabilidad R. Durante el año se presentan variaciones en el contenido de humedad de la Subrasante, las cuales producen alteraciones en la resistencia del suelo, para evaluar esta situación es necesario establecer los cambios que produce la humedad en el módulo Resiliente. Con este fin se obtienen módulos resilientes para diferentes contenidos de humedad que simulen las condiciones que se presentan en el transcurso del año, en base a los resultados se divide el año en periodos en los cuales el MR es constante. Para cada valor de MR se determina el valor del daño relativo, utilizando el ábaco de la Figura NO 1. Figura NO 1: Ábaco Para La Determinación Del Daño Relativo

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Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures 1993 Con los resultados de los daños relativos se obtiene el valor promedio anual. El módulo de resiliencia que corresponda al Uf promedio es el valor que se debe utilizar para el diseño. Si no se tiene la posibilidad de obtener esta información se puede estimar el valor del MR en función del CBR. Tabla N010: Valores Del MR En Función Del CBR

Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993

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Para el método de la AASHTO, la parte fundamental para caracterizar debidamente a los materiales, consiste en la obtención del Módulo de Resiliencia, con base en pruebas de laboratorio, realizadas en materiales a utilizar en la capa Subrasante (Método AASHTO T-274), con muestras representativas (esfuerzo y humedad) que simulen las estaciones del año respectivas. El módulo de resiliencia “estacional” será obtenido alternadamente por correlaciones con propiedades del suelo, tales como el contenido de arcilla, humedad, índice plástico, etc. Finalmente, deberá obtenerse un “módulo de resiliencia efectivo”, que es equivalente al efecto combinado de todos los valores de módulos estacionales.

Se puede utilizar la siguiente ecuación:

Donde: Uf = Daño relativo en cada estación (por mes o quincenal). MR = Módulo de Resiliencia de la capa subrasante, obtenido en laboratorio o con deflexiones cada quincena o mes. Y por último:

Por lo que el MR efectivo, será el que corresponda al Uf promedio. 7. Capacidad De Soporte De La Subrasante La subrasante es el suelo que sirve como fundación para todo el paquete estructural. En la década del 50 se puso más énfasis en las propiedades fundamentales de la subrasante y se idearon ensayos para caracterizar mejor a estos suelos. Ensayos usando cargas estáticas o de baja velocidad de deformaciones tales como el CBR, compresión simple son reemplazados por ensayos dinámicos y de repetición de cargas tales como el ensayo del módulo resiliente, que representan mucho mejor lo que sucede bajo un pavimento en lo concerniente a tensiones y deformaciones. Las propiedades de los suelos pueden dividirse en dos categorías. -Propiedades físicas: son usadas para selección de materiales especificaciones constructivas y control de calidad. -Propiedades ingenieriles: dan una estimación de la calidad de los materiales para caminos. La calidad de los suelos para subrasantes se puede relacionar con el módulo resiliente, el módulo de Poisson, el valor soporte del suelo y el módulo de reacción de la subrasante. La capacidad de soporte de la subrasante está representada por los valores de CBR determinados mediante los ensayos de laboratorio realizados con las muestras de suelos

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obtenidas en el campo.El Método AASHTO 1993 requiere el uso del Módulo de Resiliencia, el cual se obtiene de la correlación con los CBR mediante las siguientes formulas:

 Para los CBR< 10% Mr = 1500 * CBR (psi)  Para los CBR de 10% a 20% Mr = 3000 * CBR0.65 (psi)  Para los CBR > 20% Mr = 4326 * lnCBR+241 (psi) El Método AASHTO 2002 propone una fórmula de correlación del Módulo de Resiliencia con el CBR que rige para todos los casos: Mr = 2555 * CBR0.64 (psi) Consideramos que los valores de los Módulos de Resiliencia obtenidos mediante la fórmula propuesta por el Método AASHTO 2002 son más afines a las propiedades de los suelos, por lo que en el presente estudio usaremos esta última correlación. 8. Determinación De Espesores Por Capas Una vez que se ha calculado el Número Estructural SN para la sección estructural del pavimento, utilizando el gráfico o la ecuación general básica de diseño, donde se involucraron los parámetros anteriormente descritos (tránsito, R, So, MR, PSI), el siguiente paso es definir las diferentes capas de la estructura del pavimento, las que de acuerdo a sus características estructurales satisfagan el NE, es decir que en conjunto provea de suficiente capacidad de soporte equivalente al número estructural de diseño original. La siguiente ecuación puede utilizarse para obtener los espesores de cada capa, para la superficie de rodamiento o carpeta, base y subbase, haciéndose notar que el método de AASHTO, versión 1993, involucra coeficientes de drenaje particulares para la base y subbase.

Dónde: a1, a2 y a3 = Coeficientes de capa representativos de carpeta, base y subbase respectivamente. D1, D2 y D3 = Espesor de la carpeta, base y subbase Respectivamente. m2 y m3 = Coeficientes de drenaje para base y subbase respectivamente. La estructuración no tiene una solución única, se pueden establecer variadas combinaciones de capas que satisfacen la ecuación del N.E. En la elección de las capas se deben considerar los materiales disponibles y su costo.

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Figura NO 2: Espesores Por Capas

FUENTE: Elaboración Propia A) Coeficientes De Capa Para la obtención de los coeficientes de capa a1, a2 y a3 deberán utilizarse las Figuras A1, A2 y A3, en donde se representan valores de correlaciones hasta de cinco diferentes pruebas de laboratorio: Módulo Elástico, Texas Triaxial, R - valor, VRS y Estabilidad Marshall. Para carpeta asfáltica (a1) Abaco. A-1 Para bases granulares (a2) Abaco. A-2 Para subbases granulares (a3) Abaco. A-3 B) Coeficientes de Drenaje Por las condiciones de humedad en el terreno, se considerará la construcción de sistemas de subdrenaje adecuados en los diseños, que mejoren la calidad del drenaje en la estructura del pavimento. El valor de estos coeficientes depende de dos parámetros:  La capacidad del drenaje, que se determina de acuerdo al tiempo que tarda el agua en ser evacuada del pavimento, y  El porcentaje de tiempo durante el cual el pavimento está expuesto a niveles de humedad próximos a la saturación, en el transcurso del año. Dicho porcentaje depende de la precipitación media anual y de las condiciones de drenaje, la AASHTO define cinco capacidades de drenaje, (que se muestran en la Tabla N011) Tabla 11: Capacidad Del Drenaje Para Remover La Humedad

Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993

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Los coeficientes de drenaje Aashto son: valores menores, iguales o mayores a la unidad, esto depende de la capacidad percolante de las capas de drenaje: al tener capas de drenaje con valores mayores que al unidad, entonces es factible la posibilidad de diseñar paquetes estructurales con espesores menores en el caso de drenajes no es bueno, el coeficiente es menor que la unidad lo que obligara a diseñar un paquete estructural con mayor espesor, que permita resistir en igual de condiciones el tránsito para el que fue diseñado; un mayor espesor de paquete estructural, no garantiza el tener un buen drenaje. Para los coeficientes de drenaje, m2 y m3, correspondientes a las capas de base y subbase respectivamente, el método de AASHTO se basa en la capacidad del drenaje para remover la humedad interna del pavimento, definiendo lo siguiente: Tabla N012: Valores Recomendados Para Modificar Los Coeficientes Estructurales De Capa De Bases Y Sub bases Sin Tratamiento, En Pavimentos Flexibles.

Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993 C) Espesores D1, D2 Y D3 Para el cálculo de los espesores D1, D2 y D3 (en pulgadas), el método sugiere respetar los siguientes valores mínimos, en función del tránsito en ejes equivalentes sencillos acumulado. Tabla N013: Espesores Mínimos, En Pulgadas, En Función De Equivalentes

Los Ejes

Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993 TS= tramiento superficial con sellos

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EJEMPLO DE APLICACION

Se Desea Realizar La Pavimentación De La Vía De Acceso Santa – Costanera, Mediante El Método de la Aashto para la estructuración de Pavimentos Flexibles. Se cuenta con los siguientes datos: Ubicación: Departamento Provincia Ubicación

: : :

Ancash santa santa- costanera

Además se sabe que es una zona Rural dedicada al cultivo de productos agrícolas y crianza de ganado lechero donde diariamente transportan sus productos al mercado local e interdistrital y nacional. (Interurbana de transito elevado) a. ANALISIS DE TRAFICO Y CARACTERÍSTICAS DE LA VIA : Después del conteo respectivo se obtuvo lo sgte; IDMA=2800 VEH/DIA de los cuales estan distribuidos de la sgte manera: 13% C2; 12% C3; 10% T2S1; 10% B2 Tasa de crecimiento r= 2.5% Tiene 2 carriles Tiempo De Drenaje 2 Horas % De EXPOSICION 9% Módulo Elast Asfalt 280000 Psi

b. Estudio del Terreno de Fundación CALICATA C – 01 PROGRESIVA 0+300

TERRENO DE FUNDACION

CANTERA

METODO DE COMPACTACION ASTM-D1557 Max. Densidad Seca( gr/cm3) Optimo Contenido de Humedad (% C.B.R. al 100 % M.D.S. (%) C.B.R. al 95 % M.D.S. (%) SUCS: ML Peso especifico AASHTO:A-2-4 (0) L.L: 21.90% L.P. : 17.39% I.P :4.51% % ABRACION: ---Absorción: 0.1 % EXPANSION MAT. ORG.:N/P FINOS (%): 1.13 SALES SOLUBLES (%): LIMO INORGANICO Y ARENA MAL GRADUADA SUELOS FORMADOS POR PARTICULAS FINO RENOSAS

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RESULTADOS 1.93 9.97 6.33 3.04 2.21 ------N/P -------------------

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PAVIMENTOS CALICATA C – 03 PROGRESIVA 1+720

TERRENO DE FUNDACION

CANTERA

METODO DE COMPACTACION ASTM-D1557 Max. Densidad Seca( gr/cm3) Optimo Contenido de Humedad (% C.B.R. al 100 % M.D.S. (%) C.B.R. al 95 % M.D.S. (%) Peso especifico AASHTO:A-2-4 (0) SUCS: SP -SM

RESULTADOS 1.734 14.47 25.72 13.94 1.66

L.L: N/P L.P. : N/P I.P : N/P % ABRACION: ---Absorción: 0.1 % EXPANSION MAT. ORG.:N/P FINOS (%): 1.13 SALES SOLUBLES (%): LIMO INORGANICO Y ARENA MAL GRADUADA SUELOS FORMADOS POR PARTICULAS FINO RENOSAS

------N/P -------------------

SOLUCION Primero que nada, debemos encontramos los Parámetros que intervienen en el diseño:

 Determinación Del Periodo De Diseño: Se recomienda que se estudien los pavimentos para un período de comportamiento mayor, ya que ellos pueden dar lugar a una mejor evaluación de las alternativas a largo plazo basadas en análisis de costo-tiempo. En cualquier caso, sin embargo, se recomienda que el período de análisis incluya al menos una rehabilitación de la estructura recomendada. De la tabla 3, el Periodos de diseño en función del tipo de carretera.

Diseño 15-20(30) 15-20(30)

5-18 5-8

El periodo de diseño será = 20 años  Trafico. El tráfico es uno de los parámetros más importantes para el diseño de pavimentos. Para obtener este dato es necesario determinar el número de repeticiones de cada tipo de eje durante el periodo de diseño, a partir

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de un tráfico inicial medido en el campo a través de aforos. El número y composición de los ejes se determina a partir de la siguiente información:         

Periodo de diseño. Distribución de ejes solicitantes en cada rango de Cargas. Tránsito medio diario anual de todos los vehículos TMDA o TPDA. Tasas de crecimiento anuales de cada tipo de vehículo. Sentido del tráfico. Número de carriles por sentido de tráfico. Porcentaje del tránsito sobre el carril más solicitado. Índice de serviciabilidad. Factores de equivalencia de carga.

Para el cálculo del tránsito, el método contempla los ejes equivalentes sencillos de 18,000 lb (8.2 ton) acumulados durante el período de diseño, por lo que no ha habido grandes cambios con respecto a la metodología original de AASHTO. En otras palabras hay que conocer la carga que va soportar el pavimento, es decir el peso que va soportar la vía que será pavimentada entonces se debe encontrar el número de ESAL,y para ello debemos antes hallar otros datos como veremos a continuación. 

Factor Carril, Encontrando la cantidad de vehículos en funcion al factor carril

.

Como es de dos carriles tomaremos

El factor carril = 100 % Por lo tanto se tomara como

IDMA=2800 VEH/DIA ya que es el 100% entonces ahora calculamos la cantidad de vehículos en funcion del porcentaje C2 2800x13/100= 364 veh. C3 2800x12/100= 336 veh. T2S2 2800x10/100= 280 veh. B2 2800x10/100= 280 veh. Vehículos ligeros son los restantes.

Calculo Del Factor Camión

(FC)

Para la determinación del factor camión resulta conveniente elaborar un cuadro como el que se muestra (Cuadro.), donde se clasifico el tipo del vehículo lo cual nos permitió encontrar las cargas en función de

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sus ejes, utilizando para ello la Tabla de Dimensiones y Carga del MTC asimismo la tabla Factores De Equivalencia De Carga. Por ejemplo, El camión C2 tiene un eje delantero simple con rueda simple de 7 tn y un eje posterior simple con ruedas dobles de 11 tn. Para calcular el daño producido por cada eje, debemos convertir el peso en toneladas a kN ó lb. Aproximadamente 7 y 11 tn equivalen a 68 y 107 kN. Con estos valores se ingresa a la tabla factores equivalentes y se calculan los factores equivalentes de carga para cada eje. De la interpolación se obtuvo lo sgte respectivamente. Los valores obtenidos en la tabla factores equivalentes de carga para 68kn tenemos los más próximos 62.3 y 71.2 entonces interpolamos y para 107kn los más próximos son 106.8 y 115.6 igualmente interpolamos

3.03

+

0.53 = 3.56

Lo mismo realizamos para los demás vehículos obteniendo los Sgtes factor camión para cda tipo de vehículos

Autos C2 C3 T2S2 B3 

0.0001 3.56 2.55 5.708 1.82 Nota: Revisar los cálculos de la interpolación para obtener el factor camión Calculo del Factor de crecimiento (F.C.) Una forma sencilla de encontrar el factor de crecimiento es adoptar una tasa de crecimiento anual y utilizar el promedio del tráfico al principio y al final del periodo diseño. La AASHTO recomienda calcular el factor de crecimiento para el tráfico de todo el periodo de diseño:

Donde: r = tasa de crecimiento anual en decimales P = periodo de diseño en años. Los valores del factor de crecimiento para diferentes tasas anuales y periodos de diseño se pueden obtener de la tabla del AASHTO si es que no se tuviera el dato obtenido estadísticamente. Si no se cuenta con los datos precisos puede hacerse uso de la siguiente tabla

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CASO

TASA DE CRECIMIENTO 1% al 3% 0% al 1% 4% al 5% mayor al 5%

Crecimiento Normal Vias complet. saturadas Con trafico inducido Alto crecimiento 365: Número de días del año ∑: Sumatoria de ejes equivalentes de todos los tipos de vehículo pesado, por día para el carril de diseño por factor de crecimiento acumulado por 365 días del año.

F.C. = ((1 + 0.025)20 - 1) /0.025 =25.54

Remplazando: Para r= 2.5%, n = 20 años

Factor De Crecimiento (F.Cr)= 25.54 Para fines prácticos se ha considerado que la tasa de crecimiento vehicular es de 2.5%, pero como es sabido, las diferentes unidades que componen el parque automotor no tienen la misma tasa de crecimiento. Este valor deberá ser estimado individualmente.



Calculo del ESAL,

El método AASHTO utiliza en su formulación el número de repeticiones esperadas de carga de Ejes Equivalentes, es decir, que antes de entrar a las fórmulas de diseño, debemos transformar los Ejes de Pesos Normales de los vehículos que circularán por el camino, en Ejes Sencillos Equivalentes de18 kips (8.2 Ton) también conocidos como ESAL’s

CALCULO DEL ESAL

TIPO DE VEHICULO

IMDA (1)

Vehículos Ligeros

1540

Custer ( B3) C-2 C-3 T2s2

364 336 280 280

PRIMER AÑO (1)x365= (2)

(1)x365= 562,100 132860 122640 102200 102200

FACTOR CAMION (3)

ESAL EN EL CARRIL DE DISEÑO (2)x(3)= (4)

0.0001

56.21

1.82 3.56 2.55 5.708

241805.2 436598.4 260610 583357.6

FACTOR CRECIMIENTO TRAFICO VEHICULAR

25.54

TOTAL

25.54 25.54 25.54 25.54

ESAL’s DE DISEñO (2)x(3)x(4)

1435.6 6175704.81 11150723.1 6655979.4 14898953.1

38882796.048

EsALDISEñO = 38.8 x 10

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Una vez encontrado los valores relacionados al tránsito encontramos los demás parámetros que utiliza el AASHTO para el diseño.

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 Confiabilidad “R” . Tabla : Valores Del Nivel De Confianza De Acuerdo Al Tipo De Camino.

CARRETERAS INTERESTATALES ARTERIAS

PRINCIPALES COLECTORAS

LOCALE Tipo De S Camino = Vía Local; Zona Rural: Santa-Costanera

Confiabilidad (R%) = 80

 Desviación Estándar normal “Zr”. De la tabla Factores de Desviación Normal encontramos Zr ya que tenemos una confiabilidad de 50

FUENTE: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993.

(Zr) = - 0.841

 Desviación Estándar global o total “So”. Debe encontrarse entre los Sgtes parámetros 0,40 ≤ So ≥ 0,50

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(So = desviación estándar)

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Tabla : Valores Para La Desviación Estándar DESVIACIÓN ESTÁNDAR (S0) CONDICIÓN DE DISEÑO Variación en la predicción del comportamiento del pavimento sin errores en el tránsito. Variación en la predicción del comportamiento del pavimento con errores en el tránsito.

Pav. rígido 0.30

Pav. flexible 0.40

0.45

0.50

FUENTE: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993.

So = 0.45 ENTONCES

 Pérdida o Diferencia entre Índices de Servicio Inicial y Terminal.

Dónde: PSI = Índice de Servicio Presente ∆PSI = Diferencia entre los índices de servicio inicial u Original y el final o terminal deseado. po

= Índice de servicio inicial

Pt

= Índice de servicio terminal

Índice De Serviciabilidad Inicial (po) Tabla N05: Valores Para El Índice De Serviciabilidad Inicial Índice De Serviciabilidad Inicial (po) Tipo De Pavimento

Valor Inicial Deseable (Po)

Pavimentos Rígidos

4,5

Pavimentos Flexibles

4,2

Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993

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PAVIMENTOS

Índice De Serviciabilidad Final (Pt) Tabla N06: Valores Para El Índice De Serviciabilidad Final Índice De Serviciabilidad final(pt) Tipo de carretera

Tipo de transito

Valor final (Pt)

Principales

Transito mayor

2,5 o mas

Secundarias

Transito menor

2,0

Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993

∆PSI = P0 – PT = 4.2 – 2.0 = 2.2

FINALMENTE TENEMOS:

∆PSI =2.2

 Coeficientes de Drenaje La presencia de agua puede afectar al pavimento, produciendo erosión en el material granular o degradando el material de la carpeta de rodadura por humedad. Para obtener el coeficiente de drenaje (Cd) se debe contar con dos parámetros: la calidad de drenaje del suelo de la subbase y el porcentaje de tiempo en que el pavimento está expuesto a niveles de humedad próximos a la saturación. Como el material a utilizar es una grava pobremente gradada, se considerará una calidad de drenaje buena. Para estimar el segundo parámetro se recurre a las recomendaciones del Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos. Ellos proponen la siguiente fórmula:

Coronado, J. (2002). Donde:

P = Porcentaje de tiempo en que el pavimento está próximo a la saturación S = Días de traslape entre la época lluviosa y seca R= Días con lluvia en que el pavimento puede drenar hasta el 85% del estado de saturación en 24 horas o menos. En el estudios pluviométricos se determinó que los días lluviosos eran20 mientras que los días de traslape entre época lluviosa y seca fueron 13. Remplazando: % = (20+13) x100/365 =9.04 De este modo aplicando la fórmula señalada líneas arriba, se obtiene un porcentaje de 9% y, el porcentaje de tiempo que el pavimento está próximo a la saturación fue de 9%, y demora en drenar 2 horas (Suelos Arenosos) Tenemos:

Tiempo De Drenaje

2 Horas

% De EXPOSICION

9%

De los datos obtenemos la calidad de drenaje

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PAVIMENTOS

Tabla: Capacidad Del Drenaje Para Remover

La Humedad

Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993

Tabla: Valores Recomendados Para Modificar Los Coeficientes Estructurales De Capa De Bases Y Sub bases Sin Tratamiento, En Pavimentos Flexibles.

Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993

Cd =1.2

El valor esta entre 1.3 y 1.2 entonces

 Módulo De La Resiliencia Capacidad De Soporte De La Subrasante.Módulo resiliente de la subrasante: La base para la caracterización de los materiales de subrasante en este método, es el módulo resiliente o elástico. Este módulo se determina con un equipo especial que no es de fácil adquisición y por tal motivo se han establecido correlaciones para determinarlo a partir de otros ensayos. Heukelom y Klomp, han encontrado una relación entre el Mr medido en el campo y el CBR cte laboratorio para la misma densidad, se obtiene de la correlación con los CBR mediante las siguientes formulas:

 Para los CBR< 10% Mr = 1500 * CBR (psi)

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PAVIMENTOS

 Para los CBR de 10% a 20% Mr = 3000 * CBR0.65 (psi)  Para los CBR > 20% Mr = 4326 * lnCBR+241 (psi) El Método AASHTO 2002 propone una fórmula de correlación del Módulo de Resiliencia con el CBR que rige para todos los casos: Mr = 2555 * CBR0.64 (psi).

 Módulo resiliente de la subrasante Donde: PROGRESIVA 0+300

CBR = 3.04

PROGRESIVA 1+720

CBR= 13.94

Mr = 2555 * CBR0.64 (psi). Remplazando; Mr = 2555 * ( 3.04)0.64 =5205.11 Mr = 2555 * (13.94)0.64 =13749.92 Nota: como se tiene los CBR de diseño para dos tramos elegiremos el que se más desfavorable: Mr.subrasante=5,205.11

 Módulo resiliente de base = 29000 psi  Módulo resiliente de la subase=18000psi

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PAVIMENTOS

Coeficientes De Capa

Para Carpeta Asfáltica (a1)

Abaco A1: Para Carpeta Asfáltica (a1)

28000 0 En funcion del módulo de elasticidad del asfalto se tiene de la intercepción del gráfico:

a1 =0.35

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PAVIMENTOS

Para bases granulares (a2) Con el CBR 95% del material para base se ubica en el Abaco siguiente donde encontramos tanto el valor para a2 como el módulo resiliente de la base

Abaco A2: Para bases granulares (a2)

a2 =0.139

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PAVIMENTOS

Para subbases granulares (a2)

Abaco A3: Para subbases granulares (a3) Con el CBR 55% del material para base se ubica en el Abaco siguiente donde encontramos tanto el valor para a3 como el módulo resiliente de la subbase

a3=0.127

A3 =0.127

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PAVIMENTOS

 CÁLCULO DEL NÚMERO ESTRUCTURAL: El método está basado en el cálculo del Número Estructural “SN” sobre la capa subrasante o cuerpo del terraplén. Para esto se dispone del Abaco 01 y de la ecuación siguiente:

Dónde: W18 = Tráfico equivalente o ESAL´s. ZR = Factor de desviación normal para un nivel de confiabilidad R So = Desviación estándar ∆PSI = Diferencia entre los índices de servicio inicial y el final deseado MR = Módulo de resiliencia efectivo de la subrasante SN = Número estructural

= 38 x 106 = 0.524 =0.45 =2.2 = 5,205.11

Los materiales son seleccionados para cada capa, de acuerdo a las recomendaciones del método, por tanto se conocen los módulos resilientes de cada capa. Usando el ábaco 01 se determinan los números estructurales requeridos para proteger cada capa no tratada, utilizando el módulo resiliente de la capa que se encuentra inmediatamente por debajo.

ABACO 01. Ábaco de diseño AASHTO para pavimentos flexibles.

4.12 3.29

Confiabilidad (R%) = 80 SN =5.78

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PAVIMENTOS

 El numero estructural también se pueden encontrar utilizando programas a continuación Se va a utilizar el Programa desarrollado por el Sr. Ing. Luis Ricardo Vásquez en el año 2004 veamos: Subrasante

Base

Subbase

  

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PAVIMENTOS

 DETERMINACIÓN DE ESPESORES MÍNIMOS POR CAPAS EN FUNCIÓN DEL SN La estructura del pavimento flexible está formada por un sistema de varias capas, por lo cual debe dimensionarse cada una de ellas considerando sus características propias. Una vez que el diseñador ha obtenido el Número Estructural SN para la sección estructural del pavimento, se requiere determinar una sección multicapa, que en conjunto provea una suficiente capacidad de soporte, equivalente al número estructural de diseño. Para este fin se utiliza la siguiente ecuación que permite obtener los espesores de la capa de rodamiento o carpeta, de la capa base y de la sub-base:

Dónde: a1, a2 y a3 = Coeficientes de capa representativos de carpeta, base y subbase respectivamente. D1, D2 y D3 = Espesor de la carpeta, base y subbase Respectivamente. m2 y m3 = Coeficientes de drenaje para base y subbase respectivamente.

En el control de los espesores D1, D2 y D3, a través del SN, se busca dar protección a las capas granulares no tratadas, de las tensiones verticales excesivas que producirían deformaciones permanentes, como se muestra en el gráfico.

Para sacar el espesor D1 de la carpeta se considera el MR de la capa base y así se obtiene el SN1 que debe ser soportado por la carpeta asfáltica

D1 

SN1 a1

Se adopta un espesor D1 ligeramente mayor y el número estructural absorbido por esta capa será:

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PAVIMENTOS

SN1  a1  D1 a1 =0.35

SN1 = 3.29 Remplazando: 3.29 =0.35D1

= 3.29/0.35 =9.4

D1 =9 de carpeta asfáltica

Con este valor obtenido se recalcula el valor de SN: SN1 REAL = D1 x a1= 9.4x0.35=3.29

Para determinar el espesor mínimo de la capa base, se entra al ábaco con el MR de la sub-base, para obtener el número estructural SN2 que será absorbido por la carpeta y la capa base, de donde:

D2 

SNb SN 2  SN1  a 2  m2 a 2  m2

Se adopta un espesor D2 ligeramente mayor y el número estructural absorbido será:

SNb  a2  m2  D2

SNb = Número estructural de la base

a2 =0.138

SN2 = 4.12

m2= 1.2 (coeficiente de drenaje) D2= (4.12 - 3.50)/(0.138x 1.2)=4.5 Con este valor obtenido se recalcula el valor de SN: SN2 REAL = D2 x a2= 4.5x0.138=0.745

Finalmente para la sub-base se ingresa con el MR que corresponde a la subrasante y se obtiene SN3 = SN para todo el paquete estructural, por tanto el espesor será:

D3 

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SN  SN1  SN 2  SN sb  a 3  m3 a 3  m3

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PAVIMENTOS

Se adopta un espesor D3 ligeramente mayor y el número estructural absorbido por la subbase será:

SN3  a3  m3  D3

SNsb = Número estructural de la sub-base

A3 =0.127

SN2 = 5.78

m2= 1.2 (coeficiente de drenaje) D3= (5.78 - 3.29- 0.621)/(0.127x 1.2)=12.26 Con este valor obtenido se recalcula el valor de SN: SN3 REAL = D3 x a3= 12.26x0.127=1.87 Debe cumplir La suma de los números estructurales de las capas que constituyen el pavimento debe ser mayor o igual a:

SN1  SN2  SN3  SN(subrasante) 3.29 +0.745 + 1.87 ≥ 5.78 5.91 ≥ 5.78 ok. De esta forma se resumen: Alternativa 1 Carpeta asfáltica

D1= 9.4 pulg

24.00 cm

Base granular

D2= 4.5 pulg.

11.00 cm

Sub base granular D3= 12.3pulg

31.00 cm

El Paquete estructural es de (24+11+31) =66 cm

Σ

CALCULADO

ASUMIDO

24cm

12cm

11cm

24cm

31cm

30cm

Σ

66

Subrasante

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PAVIMENTOS

Nota: el metodo de la AASHTO presenta diversidad de tablas, ábacos para encontrar el espesor del pavimento, asimismo hay muchos programas en Excel que nos facilita este trabajo entre algunas veamos:

Tabla: Espesores Mínimos, En Pulgadas, En Equivalentes

Función De

Los Ejes

Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993

TS= tramiento superficial con sellos

Para nuestro caso ESAL’s= 38882796.048 entonces tomaríamos: Carpeta asfáltica

D1= 4 pulg

Base granular

D2= 6 pulg.

Sub base granular D3= 6 pulg

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PAVIMENTOS

Tablas de Dimensiones y Carga

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PAVIMENTOS

Fuente: MTC

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PAVIMENTOS

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PAVIMENTOS

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PAVIMENTOS

El peso bruto máximo permitido para unidad o combinación de vehículos es de 48,000kg.

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PAVIMENTOS

Tabla A-2: Factores De Equivalencia De Carga.

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PAVIMENTOS

Figura A-1: Ábaco Para Estimar El Número Estructural De La Carpeta Asfáltica “A1”.

FUENTE: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993.

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PAVIMENTOS

Figura A-2: Ábaco para estimar el número estructural de la capa base granular “a2”.

FUENTE: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993.

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PAVIMENTOS

Figura A-3: Ábaco para estimar el número estructural de la sub-base granular “a3”.

FUENTE: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993.

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PAVIMENTOS

Figura A4. Ábaco para estimar el número estructural de la capa base estabilizada con cemento.

Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures 1993

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PAVIMENTOS

Figura A5. Ábaco para estimar el número estructural de la capa base estabilizada con asfalto.

Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures 1993

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PAVIMENTOS

Figura A6. Ábaco de diseño AASHTO para pavimentos flexibles.

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PAVIMENTOS

ACTIVIDADES PROBLEMAS RESUELTOS

PROBLEMA 1. Calcular el paquete estructural en base al criterio de espesores mínimos siendo: R = 90% S0 = 0,35 W18 = 3,5 x 105 ESALs ΔPSI = 2,5 Propiedades de los materiales Material Concreto Asfáltico Base piedra partida Sub-base granular Subrasante

MR MPa (psi) 3100 (450000) 276 (40000) 97 (14000) 34 (5000)

ai

mi

0,44 0,17 0,1 -------

------0,8 0,7 -------

De acuerdo a los módulos resilientes se obtiene: SN = 3,1 pulg. SNb = 1,4 pulg para proteger la base. SNsb = 2,2 pulg para proteger la sub-base. D1 

1,4  3,18" , adoptamos 3,2” 0,44

SN1  a1  D1  0,44  3,2  1,41

SN 2  SN1 2,2  1,41   5,81" , adoptamos 6,0” a 2  m2 0,17  0,80 SNb  a2  m2  D2  0,17 0,80 6,0  0,82 D2 

D3 

SN  SN1  SN2  3,1  1,41  0,82   12,43" , adoptamos 12,5” a3  m3 0,10  0,70

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PAVIMENTOS

SN3  a3  m3  D3  0,10  0,70  12,5  0,87 SN1  SN2  SN3  1,41  0,82  0,87  3,18  3,1 Muy frecuentemente puede preverse la construcción por etapas para lograr economía y mejor comportamiento del pavimento. Un posible método es proyectar para periodos de diseño relativamente cortos, por ejemplo cinco años o menos, previendo los refuerzos que puedan ser necesarios. Otro método es proyectar para un periodo de de diseño 20 años por ejemplo reduciendo después el espesor en 3 ó 5 cm y previendo añadir el espesor restante cuando el índice de serviciabilidad se aproxime a 2,5. PROBLEMA 2. Diseñar un pavimento con las siguientes características: Ubicación: rural Clasificación: primaria Datos De Tránsito Tránsito anual inicial esperado (ambas direcciones) = 6 x 104 ESALs Distribución direccional DD = 0,50 Distribución de camiones TD = 0,70 Crecimiento de camiones (por año) = 0% (Sin crecimiento) Propiedades de Materiales Módulo del concreto asfáltico MAC = 3450 MPa = 500000 psi Módulo resiliente base granular MB = 172 MPa = 25000 psi Módulo resiliente sub-base granular MSB = 82,7 MPa = 12000 psi Módulo resiliente subrasante: Invierno (med. Diciembre-fines Febrero) MR = 207 MPa = 30000 psi Primavera (med. Marzo-fines. Abril) MR = 6,89 MPa = 1000 psi Verano y Otoño (princ. Mayo-med. Diciembre) MR = 34,5 MPa = 5000 psi Solución: Algunas variables de entrada deben seleccionarse en base a la importancia funcional del pavimento, consideraciones de construcción por etapas, conocimiento de la calidad de la construcción y experiencia. Así se adoptan este tipo de variables: Período de vida útil = 10 años Período de análisis (incluye una rehabilitación) = 20 años Confiabilidad en el período de análisis: R = 90% Desviación estándar de todas las variables: S0 = 0,35 Serviciabilidad inicial: p0 = 5 Serviciabilidad final: pt = 2,5 En cada etapa la confiabilidad será R = (0,90)½ = 0,95 = 95%

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PAVIMENTOS

El tránsito esperado para el final de la vida útil será: W18 = Factor de crecimiento tránsito · tránsito inicial · DD · TD = 10 · 6 x 104 ESALs · 0,50 · 0,70 = 2,1 x 105 ESALs El módulo efectivo de la subrasante es: MR = 14,15 MPa = 2100 psi Variación de serviciabilidad ΔPSI = p0 – pt = 5 – 2,5 = 2,5 por tránsito Para R = 95%, S0 = 0,35, W18 = 2,1 x 105 ESALs, MR = 2100 psi y ΔPSI = 2,5 corresponde SN = 96,52 mm (3,8 pulg.), con: SN1 = 40,64 mm (1,6 pulg.) para protección de base SN2 = 58,42 mm (2,3 pulg.) para protección de sub-base Los coeficientes estructurales o de capa, función de la calidad de los materiales que forman cada capa, son: Concreto asfáltico: Base: Sub-base:

a1 = 0,46 a2 = 0,12 a3 = 0, 9

La base tiene buen drenaje y estará saturada menos del 5% del tiempo, por lo que m2 = 1,12. La sub-base tiene características de drenaje pobre y estará saturada el 25% del tiempo, correspondiéndole un coeficiente de drenaje m3 = 0,85. - Espesor mínimo para capa asfáltica:

D1 

SN1 40,64   88 mm (3,52 pulg.), adoptamos 90 mm (3,5 pulg.) a1 0,46

SN1  a1  D1  0,46  90  41,4 mm - Base granular Como la capa más efectiva desde el punto de vista económico es la base granular, se elimina la sub-base, resultando el espesor de base:

D2 

SN  SN1 96,52  41,4   410,12 mm, adoptamos 420 mm a 2  m2 0,121,12

SN2  a2  m2  D2  420 0,12  1,12  56,45 mm SN1  SN2  41,4  56,45  97,85 mm > 96,52 mm → Verifica

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PAVIMENTOS

PROBLEMA 3. Autopista urbana, W18 = 2 x 105 ESALs. El agua drena del pavimento en aproximadamente una semana y la estructura del pavimento está expuesta a niveles próximos a la saturación en un 30% del tiempo. Los datos de los materiales son: Módulo elástico del concreto asfáltico a 20°C (68°F) = 3100 MPa = 450000 psi Base CBR = 100% MB = 214 MPa = 31000 psi Sub-base CBR = 16% MSB = 90,4 MPa = 13111 psi Subrasante CBR = 5% MR = 53,8 MPa = 7800 psi Solución: Como el pavimento es para una autopista urbana se adopta: R = 99% S0 = 0,2 po = 4,5 pt = 2,5 y así se obtiene de la figura IV.2. SN = 60,96 mm (2,4 pulg) SN1 = 38,1 mm (1,5 pulg) SN2 = 50,8 mm (2 pulg) Los coeficientes de drenaje para base y sub-base son m2 = m3 = 0,80 Espesor de concreto asfáltico:

D1 

SN1 38,1   86,6 mm (3,4 pulg), se adopta D1 = 90 mm a1 0,44

SN1  90  0,44  39,6 mm Espesor para base:

D2 

SN2  SN1 50,8  39,6   100 mm (3,9 pulg), adoptamos D2 =110 mm = 11 cm a 2  m2 0,14  0,80

SN2  a2  m2  D2  0,14  0,80  110  12,32 mm Espesor para sub-base:

D3 

SN  SN1  SN2  60,96  39,6  12,32   113 mm, adoptamos D3 = 140 mm a3  m3 0,10  0,80

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PAVIMENTOS

SN3  a3  m3  D3  0,10  0,80  140  11,2 mm SN1  SN2  SN3  38,1  12,32  11,2  61,62  60,96 mm → Verifica  Si el módulo del concreto asfáltico fuera un 30% menor. EAC = 2170 MPa = 315000 psi, a1 = 0,38 y esto obliga a hacer una capa asfáltica de mayor espesor, aunque el número estructural de todo el paquete no cambie y siga siendo 60,96 mm.

D1 

SN1 38,1   100 mm, se adopta D1 = 105 mm SN1  0,38  105  39,9 mm a1 0,38

Espesor de base granular:

D2 

SN2  SN1 50,8  39,9   97,3 mm, adoptamos D2 = 110 mm = 11 cm a 2  m2 0,14  0,80

SN2  a2  m2  D2  0,14  0,80  110  12,32 mm Espesor de sub-base:

SN  SN1  SN2  60,96  39,9  12,32   109,25 mm, adoptamos D3 = 125 mm a3  m3 0,10  0,80 SN3  a3  m3  D3  0,10  0,80  125  10 mm SN1  SN2  SN3  39,9  12,32  10  62,22  60,96 mm D3 

PROBLEMAS PROPUESTOS PROBLEMA 1. Calcular el paquete estructural en base al criterio de espesores mínimos siendo: R = 95% S0 = 0,35 W18 = 8 x 106 ESALs ΔPSI = 2,0 Propiedades de los materiales Material Concreto Asfáltico Base piedra partida Sub-base granular Subrasante

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MR MPa (psi) 2620 (380000) 172 (25000) 69 (10000) 34 (5000)

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ai

mi

0,42 0,14 0,10 -------

------0,80 0,70 -------

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PAVIMENTOS

PROBLEMA 2. Diseñar un pavimento con las siguientes características: Ubicación: rural Clasificación: primaria Datos De Tránsito Tránsito anual inicial esperado = 10 x 106 ESALs Distribución direccional DD = 0,50 Distribución de camiones TD = 0,70 Crecimiento de camiones (por año) = 4% Propiedades de Materiales Módulo del concreto asfáltico MAC = 1930 MPa = 280000 psi Módulo resiliente base granular MBS = 152 MPa = 22000 psi Módulo resiliente sub-base granular MSB = 68,9 MPa = 10000 psi Módulo resiliente subrasante MR = 51,7 MPa = 7500 psi Período de vida útil = 10 años Período de análisis (incluye una rehabilitación) = 20 años Confiabilidad en el período de análisis: R = 85% Desvío estándar de todas las variables: S0 = 0,35 Serviciabilidad inicial: po = 4,5 Serviciabilidad final: pt = 2,5 Asumir que por condiciones ambientales hay una pérdida adicional de 0,55 en 10 años. La base tiene buen drenaje y estará saturada menos del 5% del tiempo. PROBLEMA 3. Autopista urbana, W18 = 5 x 106 ESALs. El agua drena del pavimento en una semana y la estructura del pavimento está expuesta a niveles próximos a la saturación en un 20% del tiempo. Los datos de los materiales son: Módulo elástico del concreto asfáltico a 20°C (68°F) = 3300 MPa = 480000 psi Base CBR = 90% MBS = 207 MPa = 30000 psi Sub-base CBR = 20% MSB = 82,7 MPa = 12000 psi Subrasante CBR = 5% MR = 51,7 MPa = 7500 psi R = 90% So = 0,35 po = 4,5 pt = 2,5

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S E M A N A

Diseño de Pavimentos Flexibles, Método de INSTITUTO DEL ASFALTO Propósito: Conocer Los Parámetros De Diseño Del Método Del Instituto Del Asfalto. Diseñar el pavimento flexible para aplicarlos en las prácticas y/ o trabajos a realizar.

MÉTODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO 1. PRESENTACIÓN Los procedimientos de diseño empleados por este método, están basados en el análisis de los datos proporcionados por la Prueba de Caminos AASHO, la Washo, las Pruebas de Caminos Británicas y otras fuentes. Está elaborado considerando como factores: La composición y volumen de tráfico mediante una escala de factores de equivalencia, evaluación de los suelos de la subrasante, espesor total, espesor de las capas, selección de materiales para las diferentes capas, diseños alternos, compactación, drenaje, efectos de las heladas y análisis económicos. Por este motivo, es necesario que el ingeniero se inicie en el diseño de pavimentos adecuados y económicos para un proyecto dado y condiciones de servicio establecidos; considerando todos los factores que influyen en el diseño total del espesor de la estructura de los pavimentos asfálticos. Un diseño apropiado y económico para la estructura de un pavimento es tan importante como la de cualquier otra estructura. Un diseño no adecuado fallará seguramente, tal vez no tan espectacularmente como otro tipo de estructuras; sin embargo la responsabilidad técnica de la falla es tan cierta como real. Por otra parte, un sobrado sobrediseño o la selección de otro que no sea el material más económico y adecuado, es contrario al nivel de la profesión de ingeniero. II. GENRALIDADES La estructura de un pavimento asfáltico debe ser diseñado para soportar el peso de la máxima densidad de tránsito soportando la carga de sus ejes, las altas presiones y esfuerzos; para que así, por distribución interna y externa se reduzcan en magnitud antes que lleguen satisfactoriamente a la subrasante o suelo natural. La estructura del pavimento está hecha, de ordinario, con materiales de resistencia y valor soporte creciente a partir del suelo, a la subrasante y de allí a la superficie del pavimento. Las características de los materiales usados influirán en el espesor de cada capa componente y en consecuencia en el espesor total. El Instituto del Asfalto recomienda la relación de sustitución de varios materiales, lo que proporciona un método para seleccionar la más económica y eficiente combinación de materiales.

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La relación de sustitución está basada en la comparación con concreto asfáltico de alta calidad similar a la mezcla densa Tipo IV. Hay tanta variedad en la construcción de pavimentos asfálticos que muchos tipos de mezclas asfálticas son utilizables para las mismas condiciones de tráfico y clima. Cantidad de otros tipos de mezclas, que no son los similares a la mezcla de tipo IV del Instituto del Asfalto pueden, también prestar excelentes servicios; sin embargo, la relación de sustitución y el período de servicio para esas mezclas no se han establecido hasta ahora. III. PROCEDIMIENTO El procedimiento del Instituto del Asfalto para determinar los espesores de la estructura de un pavimento asfáltico, considera lo siguiente: El tráfico posible El valor del esfuerzo de los materiales de cimiento (CBR, Valor R valor de soporte) La cantidad de los materiales seleccionados El método de construcción 1) Análisis de Tráfico: El tráfico previsto se calcula como el Índice de Tráfico (IT) y se llama Número de Tránsito para el Diseño (NTD) o Tránsito de Proyecto (Design Traffic Number, DIN). ÍNDICE DE TRÁFICO: Es el número promedio de equivalentes de ejes simples de 18,000 libras por día que se supone pasar por el carril de diseño, durante el período de diseño; normalmente para 20 años. Existen varios métodos para calcular el índice de Tráfico para el diseño y pueden ser procedimientos gráficos o analíticos. El método presenta el procedimiento de diseño en función de ejes simples de 18,000 lb. de peso equivalente, porque éste es un peso de eje legal en varios estados de USA. Para convertir a peso equivalente de eje simple de 18,000 lb el procedimiento gráfico es integramos lo válido para los pesos de ejes actuales tanto de los más pesados como de los menos pesados que 18,000 lbs. 2) Evaluación de los materiales de Subrasante, Subbase y Base. Los métodos para determinar los valores de resistencia de los materiales de cimiento, son proporcionados en el Manual de Suelos para diseño de estructura de pavimentos asfálticos (MS-10), del Instituto del Asfalto. Cuando no es posible o práctico lograr medidas de mecánica de suelos, la clasificación de suelos sirve de base para estimar la resistencia del suelo. 3) Procedimientos de diseño Después de haber fijado el valor o valores de resistencia de los materiales de cimentación el Índice de tráfico para el diseño, se determina el espesor de la estructura del pavimento utilizando el gráfico apropiado de espesores. Debido a la determinación en prueba y valores numéricos en el CBR y en el valor R, hay dos gráficos separados de espesores. (Como es posible correlacionar el valor soporte de placa con el valor del CBR de las pruebas de laboratorio o sobre muestras no disturbadas, se utiliza el mismo tráfico para ambas pruebas).

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Cuando hay variedad de materiales utilizables en la construcción de la estructura de un pavimento asfáltico debe hacerse un diseño alterno incorporando varias combinaciones de estos materiales para determinar el pavimento más económico. 4) Análisis económico y selección del diseño Después de establecer el diseño alternativo, debe hacerse un análisis económico para determinar el costo anual de cada uno antes de la selección final del diseño. Además de la estructuración del primer costo de la estructura del pavimento asfáltico, otros costos como mantenimiento y recubrimiento deberán tomarse en cuenta. En ciertas áreas experiencias y condiciones locales pueden justificarse modificaciones en el espesor determinado por los procedimientos indicados por el Instituto del Asfalto. Estos espesores son conservadores y pueden resultar adecuados para un servicio severo. IV. PERÍODO DE DISEÑO Se conoce también como “Plazo del Proyecto”, es el número de años previsto desde la construcción del pavimento que se proyecta hasta que sea necesario o aplicar el primer refuerzo al nuevo pavimento. El período de diseño es de 20 años, pero existen métodos que pueden utilizar otro período de diseño ya sea más corto o más largo que 20 años. Se estima que al final del período de proyecto es el momento en el que el pavimento alcanza un Índice de Servicio o de Utilidad de 2.5. a partir de ese instante, será preciso arreglar el pavimento anterior o reconstruirlo. El período de diseño no debe confundirse con la vida prevista del pavimento; ya que con refuerzos sucesivos ésta puede ser prácticamente ilimitada hasta que lo impidan las condiciones geométricas u otras razones de la vía. “Índice de Actual Servicio”: Es un número entre 0 y 5 utilizado para clasificar la actual calidad de superficie de rodamiento de un pavimento; siendo 0 para un servicio pésimo y 5 para uno muy bueno. V. CONSTRUCCIÓN POR ETAPAS PLANEADAS Para Esta clase de pavimentos, donde los materiales son muy caros y su aplicación es en vías de importancia, muy frecuentemente puede preverse la construcción por etapas para lograr mayor economía y para un mejor desempeño total del pavimento. Un método de planeamiento por etapas, es el diseñar para períodos cortos, digamos 5 años o menos, previendo los esfuerzos o capas que puedan ser necesarias. Otro método es diseñar par un período completo digamos 20 años y entonces reducir el diseño en 0 ó 2 pulgadas y previendo añadir el espesor restante cuando el Índice de Servicio se aproxime a 2.5. más adelante se presentan ejemplos de estos casos. VI. DRENAJE Y COMPACTACIÓN Una apropiada preparación y compactación de los materiales de la subrasante y de base, tanto como un buen drenaje, son etapas esenciales en la construcción de un pavimento debidamente diseñado. Las recomendaciones del método se basan en el supuesto que serán previstas estas etapas. Información sobre el drenaje de estructuras de pavimentos asfálticos se tienen en el manual del asfalto serie Manuales Nº 4 (MS-4) del Instituto del Asfalto. Detalles relativos a la compactación de capas en la estructura de un pavimento asfáltico; se da más adelante y en el mismo manual serie Nº8 (MS-8).

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VII. EFECTOS DE LAS HELADAS Los problemas de heladas y las recomendaciones para su tratamiento se discuten más adelante. VIII. PAVIMENTOS DE CAPAS SUPERPUESTAS DE ASFALTO El detalle para el diseño de pavimentos de capas superpuestas, se describen más adelante. ANÁLISIS DEL TRÁFICO Generalidades El tráfico en caminos y calles varía tanto en la cantidad de los vehículos como en la magnitud de las cargas por eje. El tráfico cambia con el transcurrir de los años. Modelos del tráfico actual y futuro no puede establecerse en forma precisa para un nuevo camino o calle. Igualmente sobre tráfico futuro son solo aproximadas. Dado que los efectos acumulativos de las cargas del tráfico son un importante factor en el diseño estructural de un pavimento; tanto el modelo de Tráfico Inicial como los cambios futuros deben ser cuidadosamente estudiados para el diseño de la estructura de un pavimento. A causa del infinito cambio del volumen de tráfico y de las cargas, los efectos acumulativos de estos factores pueden resumirse en algún “denominador común” para uso práctico en el diseño estructural de pavimentos. Los procedimientos descritos por este método empelan, como ya se dijo, un Índice de Tráfico para Diseño como común denominador. Existen un procedimiento abreviado para determinar el Índice de Tráfico para un diseño. Cuando se prevee un volumen relativamente alto de camiones pesados, deben utilizarse el procedimiento detallado para una más precisa determinación del índice de Tráfico para diseño, que se describirá más adelante. Para obtener el Tráfico se debe conocer algunos términos especiales, los que se definen como sigue: Tránsito Diario Inicial (IDT) Es la media diaria del número de vehículos que usarán la carretera en ambas direcciones, estimado en el primer año de servicio. Es el conocimiento previo del tráfico, es decir el tráfico en el momento de diseño, actual o inicial. Se determina en forma objetiva o por comparaciones mediante las siguientes técnicas: 1. Recuentos manuales o personales 2. Registradores de plumas múltiples: Son combinaciones de métodos manuales y mecánicos. 3. dispositivos mecánicos: Se hace el conteo de vehículos y los registran automáticamente; entre estos se tiene: - Detectores neumáticos - Contactos eléctricos - Fotoeléctricos - Radar - Magnético 4. Método del automóvil en movimiento 5. métodos fotográficos Como se ve, es necesario establecer, con base en estudios previos de tránsito, económicos, sociales, etc., el número diario medio de vehículos que se han de esperar en el camino durante el primer año de su operación.

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Con base a datos de afores y clasificación del tránsito válido al caso ha de determinarse también el porcentaje de vehículos pesados que existiera en el primer año, llegándose incluso a definir cuanto de este porcentaje corresponde al carril de diseño, en el caso de caminos de más de dos carriles de circulación. Con base en análisis previos podrá conocerse también el peso promedio de los vehículos pesados, así como el límite de carga legal por eje sencillo establecido por las autoridades. Equivalencia de ejes simples de 18,000 libras Es el efecto que produce en el comportamiento de un pavimento, uno o más ejes de cualquier magnitud, comparado con el número de ejes simples con carga de 18,000 libras que se requieren para producir el mismo efecto. Estudios de investigación han proporcionado factores para convertir varios pesos de ejes a equivalentes de ejes simples de 18,000 libras. Carril de diseño o de proyecto: Es el carril en el que se espera que pasen un número mayor de vehículos de 18,000 libras de peso por eje simple. La determinación del carril de diseño depende del tipo de vía, así por ejemplo, en una carretera de dos carriles, se utiliza uno de ellos como el carril de diseño; en una vía de varios carriles, el carril de diseño será el exterior ya que este es el más cargado, pues es el que se reserva para el tráfico de velocidad lenta V1, puesto que estas velocidades aumentan mientras el carril es más interior o sea V1 < V2< V3, como se ve en la Fig. Nº 1.

V3 V2 V1

Fig. Nº 1: Ubicación del carril de diseño De acuerdo a esto se afirma que no todas las vías tienen el mismo tráfico. Si se pretendiera calcular el espesor del pavimento considerando el tráfico uniformemente repartido, es muy posible que el carril más cargado se destruya más rápidamente por tener un espesor insuficiente. El Instituto del Asfalto, en la Tabla Nº 1, índice cual es la distribución de vehículos pesados que conviene considerar en el carril de diseño en los diferentes casos. TABLA Nº1.- PORCENTAJE DEL TRÁFICO TOTAL DE VEHÍCULOS PESADOS (2 DIRECCIONES) EN EL CARRIL DE DISEÑO Número total de carriles en la carretera (2 direc.) Porcentaje de camiones en el carril de diseño 2 50 4 45 (oscila entre 35 y 48) 6 ó mas 40 (oscila entre 25 y 48)

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Se debe tener en cuenta que estos valores son considerados para el caso de USA que difícilmente podrán usarse en condiciones diferentes a las que prevalecen en ese país. Con base en los datos de la tabla anterior u otra similar para otras condiciones locales será posible llegar a una estimación del número promedio de vehículos pesados en el carril de diseño (una sola dirección).

Tránsito Inicial Equivalente: Se llama también Número de Tránsito Inicial (NTI). Es la media diaria de ejes simples de 18,000 libras que se espera durante el primer año. Para determinarlo se usa el diagrama de la Fig. Nº 2. En la escala D se fija el valor medio de la carga de los camiones, únase este punto con el número de camiones pesados en el carril de diseño sobre el eje C. La línea anterior se prolonga hasta cortar el eje B. Fijar en el eje E el límite de carga legal para eje sencillo prevaleciente; este punto se unirá con el anterior encontrado sobre el eje B y esa línea se prolongará hasta el eje A sobre el que se le NTI. -

Índice de Tráfico para el Diseño (IT): Es el promedio diario de equivalentes de ejes simples de 18,000 libras que se espera para el carril de diseño durante el período de diseño. -

Clasificación del Tráfico: Conocido el IT, el método hace la siguiente clasificación:  TRÁFICO LIGERO O POCO: IT menor de 10  TRÁFICO MEDIANO O REGULAR : IT entre 10 y 1000  TRÁFICO PESADO O INTENSO : IT mayor de 100 Números que solo serán relativamente válidos en USA, aplicados a condiciones distintas estará expuestos a error; un estudio racional en cada caso llevará a resultados posibles más correctos. Para determinar el Índice de Tráfico para el Diseño se tienen varios procedimientos; entre estos tenemos los siguientes: a) b) c)

Determinando la Tasa o Índice de Crecimiento Anual del Tráfico. Mediante Gráficos del Instituto del Asfalto Analíticamente, aplicando coeficientes al número total de camiones.

a) Cálculo del IT mediante la Tasa de Crecimiento Anual del Tráfico: Se debe estimar la tasa o índice de crecimiento anual de tránsito o incremento de tráfico a partir de los valores iniciales; para determinar el tráfico futuro, en 20 años (Período de diseño, considerado que duran los pavimentos de alta calidad). Para ello se debe manejar los estudios correspondientes de planeación y estadística del tráfico.

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Fig. Nº 2.- Carta para determinar el Número de Tránsito Inicial (NTI) Con el período de diseño y la tasa de crecimiento se puede buscar en la tabla Nº 2 el factor de corrección que debe aplicarse al Número de Tránsito Inicial, de tal forma que el producto de las dos cantidades el número de Tránsito de Diseño (NTD) o Índice de Tráfico (IT).

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TABLA Nº2.- FACTORES DE CORRECIÓN DEL NTI, PARA OBTENER EL NTD O IT Período de diseño

Tasa de crecimiento anual del tránsito

años

0

2

4

6

8

10

1 2 4 6

0.05 0.10 0.20 0.30

0.05 0.10 0.21 0.32

0.05 0.10 0.21 0.33

0.05 0.10 0.22 0.35

0.05 0.10 0.22 0.37

0.05 0.10 0.23 0.39

8 10 12 14 16 18 20 25

0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.25

0.43 0.53 0.67 0.80 0.93 1.07 1.21 1.60

0.46 0.60 0.75 0.92 1.09 1.28 1.49 2.08

0.50 0.66 0.84 1.05 1.28 1.55 1.84 2.74

0.53 0.72 0.95 1.21 1.52 1.87 2.29 3.66

0.57 0.80 1.07 1.40 1.80 2.28 2.86 4.92

En la Tabla Nº2 se ha manejado la razón de crecimiento anual con las reglas del interés compuesto, para obtener la tasa de crecimiento. Se puede calcular un pavimento por etapas en 5, 10, 15 0 20 años a medida que aumenta el tráfico, se aumenta el espesor del pavimento, como se hará más adelante en un ejemplo práctico. Si hay duda, del volumen de tráfico, se usa un pavimento de espesor para 5 años con características similares a otras vías, se pone al servicio y se colocan contadores por un tiempo, así se tiene un Índice de Crecimiento con el que se hace un nuevo diseño y se tiene el espesor definitivo del pavimento. b) Cálculo del IT por Gráficos: El Índice de Tráfico para diseño puede determinarse de los gráficos para análisis de tráfico que se muestran en las Fig. Nº3 y Fig. Nº4. Estos gráficos se basan en un período de diseño de 20 años y un crecimiento previsto uniforme de aproximadamente 3% anual a partir del Tránsito Diario Inicial (IDT) o Índice Medio Diario, durante el período de diseño. Para IT para diseño a base de otros períodos de diseño y estimaciones diferentes de crecimiento, no debe emplearse este método (ver observaciones en el desarrollo del ejemplo). Por comodidad, zonas en las cuales el tráfico de varias clases de caminos, puede denominarse “normal” se encuentra en los gráficos. Relaciones precisas para condiciones de tráfico para esta clase de caminos, no es necesario hacerlas. El método del Instituto del Asfalto, para efectos del cálculo del IT de diseño considera las vías: Calles, Carretera Rural, Carretera Urbano y Carretera Rural; que están de acuerdo con las características del tráfico vehicular que existe en ese país y cuyas definiciones se dan a continuación:

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CALLE: Vía cuyo tránsito se compone de un 95% ó más de automóviles y camiones pequeños (paneles, pick-up y livianos de reparto). La porción superior de la franja deberá usarse para áreas comerciales o que tengan industria ligera. La parte inferior, se empleará para áreas residenciales. CARRETERA RURAL: También en Caminos Locales Rurales. Es la vía cuyo tránsito se compone, generalmente de un 85% ó más de automóviles y camiones pequeños. La parte superior de la franja correspondiente, ha de usarse cuando el volumen de camiones pesados se considera relativamente grande. Las carreteras que sirven zonas industriales mineras o madereras caen dentro de esta categoría. La porción inferior de la franja, se destinará para carreteras que circundan zonas rurales residenciales o haciendas y fincas pequeñas. CARRETERA INTERURBANA: Vía que generalmente soporta un tránsito de un 75% ó más automóviles y camiones pequeños. La porción superior de los más industrializados del país y en aquellas áreas donde se espera tener volúmenes de tránsito pesado relativamente altos. La parte inferior deberá emplearse para las áreas típicamente rurales. CARRETERA URBANA: Aquella que tiene un porcentaje elevado de tránsito de automóviles y camiones pequeños. El volumen de tránsito pesado es generalmente menor del 5%; en tal caso, se ha de usar la porción inferior de la franja correspondiente del gráfico. En áreas altamente industrializadas, donde el volumen de camiones pesados puede llegar hasta un 20% se considerará la porción superior de la franja. En las figuras correspondientes, las flechas en la parte superior indican, como una guía, si es suficiente una carretera de dos o más vías para absorber el volumen de tránsito que se anticipa. Uso de los gráficos: Se estima el Tránsito Diario Inicial TDI, incluyendo todos los vehículos en el gráfico apropiado en el punto correspondiente en la escala horizontal. De allí se levanta una vertical a la que representa apropiadamente el monto relativo de tráfico más pesado incluido en el Índice de Tráfico (Las definiciones de las vías pueden ayudar en localización del punto). Se traza una horizontal hasta la escala para Índice de Tráfico y en caso se interpola el valor. El Índice de Tráfico es una medida de los efectos acumulados de todo el tráfico para las condiciones fijadas por el método, es decir para un período de diseño de 20 años y un crecimiento previsto uniforme de 3% anual. EJEMPLO: Calcular el IT para el diseño de una carretera urbana principal de 4 vías, donde se estima un Tránsito Diario Inicial (TDI), en dos direcciones de unos 50,000 vehículos con un 10% aproximadamente de camiones pesados. Solución: Se analizará que tipo de tráfico circulará por esta vía, para el efecto usamos el gráfico de la Fig. Nº3, para el caso de una carretera urbana principal. Como el porcentaje de los camiones pesados es regular, tomamos en la franja respectiva, el punto correspondiente a la mitad de dicha franja. Se observa, entonces, que el valor de tránsito para el diseño (IT) sería de 1,500 y como IT > 100, el tráfico es PESADO. Observaciones a la determinación gráfica del IT: La forma de obtener el IT gráficamente, como se acaba de realizar es meramente informativa. Al usar este gráfico (y cuando se usa también el otro de la Fig. Nº4) la determinación de los valores del IT o DTN (Número de Tráfico de Diseño)fue hecha en base a la hipótesis de que la

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vida útil de la carretera se extiende por 20 años y el tráfico experimenta un incremento anual constante igual a 3%, que lleva a un factor de aumento promedio igual a 1.4. La duración de la vida útil igual a 20 años fue establecida considerando que para tal lapso se pueden hacer previsiones dignas de consideración sobre el tráfico. De paso se debe notar que la vida activa de una carretera de 20 años de duración, presupone la utilización de estructuras bastante válidas. El tipo de aumento de 3% anual es indudablemente válido para los Estados Unidos donde hace tiempo la economía del país experimenta una evolución normal con incrementos anuales casi constantes. En países donde la economía debe todavía desarrollarse o donde recién se ha iniciado el proceso de industrialización, como es el caso del Perú, presumir que el incremento promedio del tráfico en los próximos 20 años será superior al 3%. c) Cálculo Analítico del IT: El Número de Tráfico para el diseño para el volumen previsto de camiones se determina como sigue: (1) Establecer el número diario de todos los camiones, en ambas direcciones, durante el primer año del uso del pavimento. (2) Establecer el Factor de Corrección Medio Global del tráfico. (3) Establecer el Factor de Corrección del Período de diseño. (4) Calcular el Factor de Equivalencia de Carga para camiones, o el Factor Camión. (5) Determinar el Equivalente Decimal del Porcentaje de Camiones que calculan en el carril de diseño. El Número de Tráfico de Diseño o Índice de Tráfico, basado solamente el tráfico de camiones, es el producto de todos los factores indicados en los pasos del 1 al 5, ósea: IT = N O D E P Donde: IT = Índice de Tráfico para diseño N = Es el número total de camiones de un peso bruto mayor de 10,000 lbs si son de eje simple y mayor de 18,000 lbs de peso bruto, si son de eje tandem o acoplado. Lo que dará: - Para eje más pesado del primer caso: 18,000 lbs - Para eje más pesado del segundo caso: 14,000 lbs C = Factor de Crecimiento Medio del Tráfico en el período de diseño. Experimentos indican un aumento de 50 a 100%, para un período uniforme cerca de 20 años. Para estas condiciones, el factor de crecimiento de tráfico, para el promedio, aumento de 1.25 a 1.50 respectivamente. El gráfico del Instituto del asfalto se basa, como ya se ha dicho, sobre un tipo de incremento del 3% anual que en 20 años lleva a un factor de crecimiento promedio del tráfico igual a 1.4.

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TDI

20 Años

SI:1 C11 = Factor de Tránsito Diario Inicial (TDI) C22 = Factor de Tránsito Diario Final (TDF) Entonces: C=

c1  c2 2

D = Factor de Corrección del Período de Diseño Es el factor de conversión para tener en cuenta el período de vida útil de la carretera. (Design Period). Es igual a 1 para una vida de 20 años (n), se obtiene multiplicando n por 0.05 ósea por 1/20 Factor de corrección del período de diseño = 0.50 x Período de diseño deseado en años. E = Factor de Equivalencia

Media de los ejes de los camiones

respecto al eje de

18,000 lbs. -

El Factor de Equivalencia de Carga se emplea para convertir carga de ejes simples y tandem de magnitud conocida a cargas equivalentes de ejes simples de 18,000 lbs.

-

EL FACTOR CAMIÓN es el número promedio de equivalentes de cargas de ejes simples de 18,000 lbs por camión; se emplea en el cálculo del Número de Tráfico de diseño (IT).

La Fig. Nº5 proporciona los Factores de Equivalencia de carga para carga de eje simple de 10,000 lbs y más y para carga de eje tandem de 17,000 lbs y más. En la Tabla Nº3 se tiene los Factores de Equivalencia de Carga para cada grupo de cargas, considerando el promedio de cargas por eje.

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P = Factor de Carril (Design Lane); es el coeficiente de tanto por uno del número total de vehículos que circulan por el carril más cargado. En la práctica puede verificarse que los camiones pesados, recorren de preferencia un solo carril, o bien, tengan una dirección preferencial con carga completa y opuesta cuando están descargados; esto debe tenerse en cuenta oportunamente y, a falta datos precisos, el Instituto del asfalto sugiere establecer la Porción relativa de los camiones pesados que afectan el carril más transitado, según la Tabla Nº 1 que se indica el acápite Carril de Diseño o de Proyecto.

TABLA Nº3 FACTORES DE EQUIVALENCIA DE CARGA EJE SIMPLE Grupo de carga por eje (1,000 lbs)

EJE TANDEM

Factor

de Grupo de carga por

equivalencia de carga eje (1,000 lbs)

Factor

de

equivalencia de carga

Menos de 8

--

Menos de 14

--

8 – 12

0.11

14 – 20

0.11

12 – 16

0.34

20 – 26

0.27

16 – 18

0.76

26 – 30

0.57

18 – 20

1.31

30 – 32

0.92

20 – 22

2.26

32 – 34

1.25

22 – 24

3.91

34 – 36

1.70

24 - 26

6.74

36 – 38

2.33

38 – 40

3.15

40 – 42

4.36

42 – 44

5.88

44 - 46

8.15

Determinados todos, los factores precedentes, su producto será el IT relativo a los vehículos pesados que constituyen el tráfico en estudio.

Corrección del IT para Diseño para Condiciones de Tráfico Ligero: Si el IT es mayor de 10 (Tráfico Mediano o Pesado), se puede despreciar completamente el efecto de los vehículos ligeros, en cambio, si el IT es inferior a 10, el Instituto del Asfalto sugiere considerar también los vehículos ligeros y establecer un IT Total; en este

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segundo caso, calculado el IT para los pocos vehículos comerciales, se determina, empleando el gráfico de la Fig. Nº6 la intersección entre la curva correspondiente al IT encontrado y la vertical que indica el número diario de los vehículos ligeros; la horizontal para esta intersección dará el IT Total que se busca. 12

10

10

INDICE DE TRAFICO

8 8 6 6 4 4

2 0

2

40, 000

20, 000

10, 000

8, 000

6, 000

4, 000

2, 000

800

600

400

200

100

0

1, 000

MINIMO

Volumen diario de automóviles en el carril de diseño

Fig N° 6: GRAFICO PARA CORREGIR EL NUMERO DE TRAFICO DE DISEÑO POR VOLUMEN DIARIO DE AUTOMÓVILES.

Ejemplo Calcular el índice de Tráfico de una carretera de dos carriles, si al realizar el análisis de tráfico se tiene un Tráfico Actual de 1,000 vehículos diarios, con 3% de camiones H10, 10% de camiones H15-S12 y 7% de camiones H2O-S16. El período de diseño es de 20 años y el incremento del tráfico en este tiempo es del 100%.

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PAVIMENTOS

Solución a)

Cálculo del Factor Camión

Primeramente se verá la composición del tráfico como se indica en la Tabla Nº4.

TABLA n° 4, COMPOSICIÓN DEL TRAFICO VEHÍCULOS Tipo

EJES

Representación

Numero

Simple Tandem

Automóviles, ómnibuses y camiones de menos de 1000

2

800

-

lb, peso bruto

Camión H 10

3 % (1000)

30

2

-

Camión H 15 - S 12

10 % (1000) 100

3

-

7 % (1000)

1

2

1000

8

2

Camión H 20 – S 16 Volumen total actual de trafico

Nota: Las cargas indicadas bajo los ejes de los vehículos están expresadas en Kips. Para efectos de cálculo: 1 tonelada inglesa corta = 907 kilos = 2,000 lbs = 2 Kips.

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PAVIMENTOS

Número de ejes: Automóviles y camiones livianos

: 800 x 2

= 1,600

Ejes simples camiones H10

: 30 x 2

= 60

Ejes simples camiones H15 – S12

: 100 x 3

= 300

Ejes simples camiones H20 – S16

: 70 x 1

= 70

Ejes tandem camiones H20 – S16

: 70 x 2

= 140

Total de ejes

= 2,170

Distribución de ejes por su carga: Eje simple: -

De menos de 8 kips

Automóviles y camiones livianos

: 800 x 2

Camiones H10

= 1,600

: 30 x 1

Camiones H15 – S12

: 100 x 1

Camiones H20 – S16

:

= 30

= 100

1,730 -

Entre 8 y 12 kips

Camiones H10

:

Camiones H15 – S12

:

Camiones H20 – S16

: 70 x 1

= 70 70

-

Entre 12 y 16 kips

Camiones H10

:

Camiones H15 – S12

: 30 X 1

Camiones H20 – S16

:

= 30

30 -

Entre 22 y 24 kips

Camiones H10

:

Camiones H15 – S12

: 100 x 2

= 200

Camiones H20 – S16 : 200 -

Eje Tandem

Entre 30 y 32 kips Camiones H10

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:

81

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PAVIMENTOS

Camiones H15 – S12

:

Camiones H20 – S16

: 70 x 2

= 140 140

TOTAL

= 2,170

Conversión de estos ejes a equivalentes de 18,000 lbs de carga por eje simple. Para el efecto, se determinan previamente los Factores de Equivalencia para el promedio de grupos de cargas para eje simple y para eje tandem. Como ya se ha visto se puede usar el gráfico de la Fig. Nº5 o también la Tabla Nº3. Se tiene así, la siguiente Tabla Nº 5.

TABLA Nº5 CALCULO DE EQUIVALENCIA DE 18,000 lbs DE CARGA POR EJE SIMPLE (1) (2) (3) (4) Grupos de carga Factor de Eje por día Equivalencia de por eje Equivalencia de 18,000 lbs de carga (Kips) carga por eje simple EJE SIMPLE Menos de 8 -1,730 -8 – 12

0.11

70

7.7

12 – 16

0.34

30

10.2

22 – 24

3.91

200

782.0

Sub Total = 799.9 EJE TANDEM Menos de 14

--

--

--

30 – 32

0.92

140

128.8

Sub Total = 128.8 TOTAL DE EJES(Simples + Tandem) = 928.7

El Factor Camión se obtiene dividiendo esta suma entre el volumen total de tráfico actual (1,000 vehículos)

E = Factor Camión =

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82

928.7  0.9287  0.93 1,000

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PAVIMENTOS

b)

Cálculo del Factor de Carril:

Como la vía es una carretera de dos carriles, en la Tabla Nº 1, se tiene 50% de camiones en el carril de diseño, en consecuencia, se tiene: P = 50 x 0.01 = 0.50

c)

Cálculo del Factor de Crecimiento Medio Global de diseño:

Como el tráfico diario inicial es 1,000, entonces en 20 años, el tránsito diario final será 2000, luego: C= d)

1 2  1 .5 2

Cálculo del Factor de Corrección del Período de diseño:

Como el período de diseño es 20 años, este factor es 1 ó sea D = 1.

e)

Cálculo del Número Total Diario de Vehículos Comerciales (camiones)

N = 1,000 – 800 = 30 + 100 + 70 = 200 Reemplazando estos valores: N = 200 C = 1.5 D= 1 E = 0.93 P = 0.50 en la formula (1), se tiene: IT = 200 x 1.5 x 1 x 0.93 x 0.50 = 139.50 Como IT = 139.5 > 100; el Tráfico es PESADO.

EJEMPLO 2 Calcular el Índice de Tránsito para la autopista Lima – Pucusana si en la Estación de Lurín se ha efectuado recuentos y clasificación de tráfico en los años 1,963, 1,964 y 1,965; de los cuales se han obtenido los siguientes índices mediante diarios: Año 1,963

IMD = 4,312 vehículos

Año 1,964

= 5,169 vehículos

Año 1,965

= 5,664 vehículos

Período de diseño

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= 20 años

83

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PAVIMENTOS

Número de carriles

= 4

Solución: Entre el año 1,963 y 1,963 y 1,964 se ha tenido un incremento de vehículos aproximadamente 19% mientras que entre 1,964 y 1,965, tal incremento ha bajado al 10%. El tipo de incremento es de todos modos notable y a un considerando que de bajar en los años futuros, se puede considerar que el promedio en los próximos 20 años será más o menos del 5% anual. De los recuentos y clasificaciones efectuados desde el 1º de Octubre de 1,963 al 30 de Mayo de 1,964, resulta la composición del tráfico que se muestra a continuación:

TIPO DE VEHÍCULO Tráfico ligero Ómnibus Camiones Camiones Semitailer Semitailer Semitailer Semitailer Trailer Trailer Trailer Trailer Trailer

EJES

2 3 2S1 2S2 3S1 3S2 2T1 2T2 3T1 3T2 2S1T1

TOTAL

NÚMERO 4,92 S02 S43 9 6 4 2 3 2 2 1 1 1 5, 69

% 81.10 5.85 12.44 0.18 0.11 0.09 0.04 0.03 0.04 0.04 0.02 0.02 0.04 100.00

Los vehículos comerciales suman 675 (Hc se incluyen Omnibus), de los cuales 643 son de dos ejes. En base a la composición del tráfico indicada en la tabla para el conteo del número de ejes correspondientes a los 675 vehículos censados. Se ha confeccionado también un gráfico relativo a la distribución de los pesos por eje, registrados en un día (IMD) en el control de Lurín.

Tipo

VEHÍCULOS Ejes simple Acoplad.

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Número camiones simples

EJES Acoplad.

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PAVIMENTOS

2 ejes 3 ejes 2 S1 2 S2 3 S1 3 S2 2 T1 2 T2 3 T1 2 T2 2 S 1-T-1

2 1 3 2 2 1 3 2 2 1 4

-1 -1 1 2 -1 1 2 --

643

1,286 9 18 8 4 3 6 4 2 1 0

9 6 4 2 3 2 2 1 1 2 675

TOTALES

-9 -4 2 6 -2 1 2 --

1,349

26

DISTRIBUCCIÓN DE LOS VALORES REGISTRADOS EN UN DÍA (IMD) DE LOS PESOS POR EJE DE LOS VEHÍCULOS DE CARGA Hoja 11 de 24

Ciclo 1963/1964

Carretera: Panamericana Sur

Nº 14-001 Sector: Lima-Lurín

Ubicación : En Lurín

Estación : 5 – C

TIPO DE VEHÍCULO: Varios, (IMD) 675 50 % 45 40 35 30 25 20 15 10

Peso por eje en Kg

Fig N°

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15000

12000 - 15000

10000 - 12000

9000 - 10000

8000 - 9000

7000 - 8000

6000 - 7000

5000 - 6000

4000 - 5000

3000 - 4000

2000 - 3000



1000 - 2000

0

1000

5



PAVIMENTOS

Del gráfico se puede constatar que el 2.5% + 25.0% = 27.5% de los ejes tienen una carga inferior a 3.5 Tn (7,700 lb) y por lo tanto pueden dejarse de lado a los efectos de cálculo del pavimento, es decir, se deben excluir de los conteos siguientes, 386 ejes que presumiblemente son atribuibles a los vehículos de dos ejes, como ejes delanteros. Dado que los recuentos del tráfico han sido hechos contando el número de los simples (ver gráfico), los 26 ejes acoplados obtenidos de la tabla anterior se consideran como 52 ejes simples, al 50% de los cuales pueden atribuirse pesos de 8 a 9 Tn. y al otro 50% pesos de 9 a 10 Tn. El número total de ejes es 1,349 + 52 = 1,401. Las dos clases de ejes con los pesos mencionados, en el gráfico resultan tener una incidencia del 10% cada uno y por lo tanto están representadas por 140 ejes. En la tabla siguiente se ha calculado el Factor Camión, poniendo en primera columna las diferentes clases según los pesos como se lee en el gráfico anterior, en la segunda columna los porcentajes de la varia clases siempre en base a dicho gráfico. La tercera columna indica el número de ejes para cada categoría en base al porcentaje estableciendo en el gráfico y al número de ejes totales obtenidos en la tabla anterior. En la cuarta columna se han puesto los factores de equivalencia para las clases consideradas, calculados por las fórmulas sugeridas por el Instituto del Asfalto hasta cargas de 20 kps, para cargas mayores, las formulas citadas llegan a factores de equivalencia demasiado altos, por lo que se ha preferido poner los factores de equivalencia que se han obtenido aplicando las fórmulas del ROADTEST para D = 2 y p = 2.5 Para los ejes acoplados, los factores de equivalencia son los que sugiere e Instituto del Asfalto. Finalmente en la quinta columna se ha calculado el número de repeticiones de carga equivalentes a las de un eje de 18 kips. Para los ejes acoplados se han considerado 26 ejes simples de 18,739 lbs iguales a 8.5 Tn, es decir 13 ejes acoplados de 37,478 lbs y 26 ejes simples de 20,943 lbs iguales a 9.5 Tn correspondientes a 13 ejes acoplados a 41,896 lbs. EQUIVALENTES PARA EJES DE 18 KIPS – SEGÚN EL INSTITUTO DEL ASFALTO – ESTACIÓN DE LURÍN CLASES % de Nº de ejes Factor de Equival. vehículos equivalencia Eje de 18 kip

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PAVIMENTOS

Tn

Kips Ejes simples

1–3 3–4 4–5 5–6 6–7 7–8 8–9

-7.700 9.200 12.125 14.330 16.536 18.739

27.5

9 – 10 10 – 12 12 – 15 15

20.943 24.210 29.762 33.069 1,349

-

11.5 3.5 4.0 5.0 11.5 10.0

386 161 49 56 70 161 140-26=114

-0.06 0.11 0.20 0.37 0.67 1.22

-9.66 5.39 11.20 25.90 107.87 139.08

10.0 12.0 4.0 1.0

140-26=114 168 56 14

1.99 3.62 7.53 14.76

226.86 608.16 415.68 206.64

1,755.44

Eje Acoplado 8.5

36 – 38

13

2.33

30.29

9.5

40 - 42

13

4.36

56.68

26

86.97

TOTALES

1,842.41

El Factor Camión resulta por lo tanto igual a: 1,842 .41  2.73 675

Suponiendo un incremento anual promedio del tráfico igual al 5% y una vida de 20 años, el Factor de Aumento del Tránsito será: 1  2.65 3.65   1.82 2 2

Como es una vía de 4 carriles, entonces se puede atribuir un Factor de Carril de 0.45 a los 482 camiones que diariamente transitan en las dos direcciones.

El Índice de Tráfico para el Diseño será: IT = DTN = 675 x 1.82 x 1 x 2.73 x 0.45 = 1,508.94 Este valor representa, en los 20 años de vida útil, el número promedio diario de repeticiones de carga equivalentes al eje de 18 Kips, relativo a un solo carril.

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PAVIMENTOS

EVALUACIÓN Y EXIGENCIAS DE MATERIALES 1.

Generalidades

Los materiales seleccionados a usarse en la construcción de la estructura de un pavimento asfáltico deben evaluarse para tener información para un diseño adecuado y económico. Los materiales deben también ser probados en cuanto a determinadas cualidades y establecer las exigencias de su compactación.

2.

Exploraciones y sondajes

La investigación de los materiales deben incluir suficientes sondajes para identificar los varios tipos de suelos que pueden encontrarse a lo largo del camino propuesto y en las canteras o áreas potenciales de préstamo. Los datos obtenidos de estos sondajes deben ser suficientes para preparar un perfil de suelos que identifiquen los diferentes suelos en el área. De los materiales obtenidos en los depósitos o en los sondeos en áreas representativas, deben hacerse pruebas detalladas de cada tipo de suelo. La clase de prueba exigible depende del método de evaluación escogido.

A. LA SUBRASANTE Generalidades: Varios métodos se utilizan por lo general para evaluar la resistencia de cimientos para la estructura de un pavimento asfáltico. Ellos varían desde los métodos puramente visuales a aquellos que exigen pruebas de resistencia mecánica. Los últimos proporcionan los diseños más seguros y económicos. Las pruebas de resistencia mecánica se recomiendan siempre para ser usadas en el diseño de pavimentos para tráfico regular y mucho tráfico; cuando la prueba de resistencia mecánica no es posible, y se tiene suficiente experiencia, se puede evaluar la resistencia a base de la clasificación de suelos que dará resultados con suficiente exactitud para diseño de pavimentos con poco tráfico (Referente a la definición de Mucho, Regular y Poco Tráfico).

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PAVIMENTOS

Suelo de Subrasante El suelo de la subrasante se define como el suelo natural Insitu, sobre el que se construye la estructura del pavimento. El diseño del espesor de la estructura del pavimento debe siempre basarse sobre los valores de resistencia mecánica del suelo de la subrasante. Este suelo también se conoce cono suelo de basamento o suelo de cimentación.

Métodos de evaluación para pavimentos de Tráfico Mediano y Tráfico Pesado Los gráficos para diseño de espesores (Fig. N° 10 Fig. N° 11), se basan en las siguientes pruebas de resistencia: (1)

Coeficiente de California (CBR)

(2)

Valor portante (Ensayo de Placa), Kgr/cm2, placa de 30 cm., asiento de 5 mm (0.2’’), 10 repeticiones (Método de Carga Directa en el terreno).

(3)

Valor Resistente (Valor R). (Método de Hveen).

Como existen variaciones en los procedimientos usados para realizar estas pruebas de resistencia, lo que de ordinario se traduce en diferencias en los resultados para el mismo material; se recomienda usar los procedimientos descritos en el Manual de suelos (MS10) del Instituto del Asfalto, ya que en forma básica han sido usados para lograr los valores que se utilizan en los gráficos de diseño de espesores. El resultado de la prueba mecánicas de resistencia en los suelos de subrasante, en el laboratorio o Insitu, debe complementarse con las pruebas de clasificación de suelos. Deben hacerse suficientes pruebas mecánicas de resistencia para evaluar en forma confiable cada uno de los suelos hallados en determinado proyecto. La prueba de clasificación, permitirá la identificación de los diferentes suelos de la construcción. Ellos también identificarán los suelos inapropiados, con los susceptibles a los efectos de la helada.

Interpretación de los resultados de las pruebas El valor de la resistencia de diseño para el CBR o R dados por las pruebas deben aplicarse en las siguientes condiciones: 1)

La mínima compactación en el campo exigida para las especificaciones.

2)

Contenido de humedad para moldeo que debe usarse en el campo.

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PAVIMENTOS

3)

Resultados de prueba de muestras secas o saturadas de acuerdo con el procedimiento de la prueba.

Más adelante se indicará la profundidad de compactación y densidad de compactación para suelos de subrasantes. La prueba de la placa portante y el CBR de campo deben efectuarse sobre subrasantes de pavimentos existentes o secciones especiales construidas como se escribe en el Manual de suelos (MS-10). El CBR de campo podrá no ser necesario que corresponda a los valores de laboratorio pero puede utilizarse si se han establecido correlaciones locales.

Métodos de evaluación para pavimentos con destino de Tráfico Liviano, Caminos Rurales y Calles Residenciales: Se utilizarán pruebas de resistencia mecánica para el diseño de pavimentos con destino a poco tráfico, caminos rurales y calles residenciales. Si es imposible el hacer dichas pruebas; puede hacerse uso de correlación aproximada con la clasificación de suelos de la AASHC y la clasificación Unificada de suelos que se da en la Fig. N° 7. Efectos colaterales: En la evaluación de la resistencia de los materiales de subrasante no tramada, el ingeniero debe considerar factores que pueden tener efectos adversos en las propiedades de soporte de carga. Los tres factores más críticos son: -

Humedad

-

Esponjamiento

-

Efecto de las heladas

Tanto el procedimiento del CBR como el Valor Resistente, toman en cuenta el efecto crítico de la pérdida de la resistencia provocada por la saturación y el esponjamiento de los suelos. La influencia de las heladas y las condiciones asociadas para el diseño se analizan más adelante. El gráfico de diseño del espesor del pavimento proporciona diseños para alta humedad crítica y condiciones primaverales de ablandamiento.

B.

MATERIALES PARA SUPERFICIE, BASE Y SUBBASE

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PAVIMENTOS

Generalidades Los gráficos de diseño han sido desarrollados para estructuras de pavimentos de espesor total de concreto asfáltico construido sobre subrasante compactadas. Se prevee, sin embargo, la sustitución del espesor equivalente de Base Granular y Subbase por una porción de suficiente espesor de Concreto Asfáltico.

Ventajas de las Bases de Concreto Asfáltico Se recomienda usar las bases de Concreto Asfáltico en estructuras de pavimentos asfálticos porque tienen ciertas ventajas inherentes sobre las capas de Base Granulares. -

Pilgada a pulgada resultan más resistentes sobre la subrasante, esto reduce el espesor requerido por la estructura del pavimento, también de las bermas si se las incluye en este procedimiento.

-

Frecuentemente, muchos materiales locales de cualidad inadecuada para bases granulares comunes, pueden ser utilizadas, con éxito para formar la Base de Concreto Asfáltico con ahorro evidente.

-

Las Bases de Concreto Asfáltico muestran una gran superioridad, sobre las bases no tratadas, durante los períodos críticos de ablandamiento primaveral o en períodos de grandes lluvias cuando grandes resistencias son requeridas.

-

Las Bases Asfálticas son además resistentes a las heladas y no ofrecen peligro a la humedad y por ello conservan su alta resistencia en estos períodos críticos.

-

Las demoras en la construcción por mal tiempo se minimizan porque las base de concreto asfáltico pueden extenderse rápidamente y consolidarse pronto haciendo rápidamente utilizables por la corriente de tránsito.

-

La calidad de rodamiento del pavimento terminado es apreciablemente mejor porque la capa de base de concreto asfáltico se aplica mecánicamente.

-

Pavimentos construidos con base de varias capas de concreto asfáltico al poner la primera capa se puede inmediatamente dar al tráfico el camino y localizar las fallas, que pueden corregirse tan luego se presenten antes de que se coloque la siguiente capa. Un pavimento más suave es el resultado.

Especificaciones para las mezclas de concreto asfáltico El diseño de espesores recomendado para pavimentos de concreto asfáltico basa en el uso de mezclas de concreto asfáltico similares a la mezcla de tipo I del Instituto del Asfalto,

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PAVIMENTOS

expuesta en especificaciones y métodos de construcción para plantas de concreto asfáltico y otras plantas de mezclado (SS.1) del Instituto del Asfalto. Ver tabla N° 6

TABLA N° 6.- COMPOSICIÓN DE LAS MEZCLAS TIPO IV (Lámina de piedra) (Stone Sheet) Mezcla N° Uso recomendado -

Espesor Recomendado individuales.

VIa Capa superficial

compactado. para capas

1’’ – 2’’

Tamiz (abertura cuadrad)

VIb Capa superficial nivelación

o

de

1’’ – 2’’

Porcentaje que pasa por peso

¾’’ ½’’ 3/8’’ #4 #8

100 85 – 100 65 – 80

100 85 – 100 65 – 80

# 16

50 - 70

47 – 68

Información detallada sobre el diseño de estas mezclas de concreto asfáltico se encuentran en “Métodos de diseño de mezclas para concreto asfáltico y otro tipos de mezclas en calientes” (MS-2) del Instituto del Asfalto.

Cualidades requeridas por las Pases Granulares El tamaño máximo del agregado para capa de Base no deberá excederse del espesor de la capa compactada. La capa del material de base debe cumplir los requisitos que aparecen en la tabla N° 7.

TABLA N° 7.- REQUISITOS PARA MATERIALES DE BASE GRANULAR Prueba*

Tráfico Liviano **

Tráfico Mediano y pesado * *

80 78 25

100 80 25

CBR, Mínimo Valor R, Mínimo Límite Líquido Indice de Plasticidad

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PAVIMENTOS

Máximo Equivalente de arena Mínimo *

6

3

30

50

Conforme lo establecido por el procedimiento dado en el “Manual de Suelos”

(MS-10) del Instituto del Asfalto. **

Tanto las exigencias del CBR como el Valor R deben tenerse en cuenta.

Además de la exigencia de la Tabla N° 7, el material de la Base Granular debe conformarse a otros requisitos que se dan en las especificaciones de la AAS M 147, “Materiales para Subbase suelo - agregado, Base y Capa de Superficie”.

Cualidades requeridas para Subbase El máximo tamaño para agregados para la capa de Subbase no deberá exceder a un medio del espesor de la capa compactada. El tamaño del material de Subbase, por el hecho de provenir de canteras de considerable variación en sus cualidades, debe ser escogido con cuidado; para que las pruebas de diseño representen la cualidad del material, que se abastezca continuamente durante la construcción. Los materiales de la Subbase tendrán los requisitos que trae la Tabla N° 8

TABLA N° 8.- REQUISITOS PARA MATERIALES DE SUBBASE GRANULAR Pruebas *

Requisitos **

CBR, Mínimo Valor R, Mínimo Límite Líquido

20 55 25

Indice de Plasticidad, Máximo Equivalente de arena, Mínimo

6 25

* Conforme a los procedimientos indicados en el Manual de Suelos (MS-10), del Instituto del Asfalto. ** Las exigencias tanto para el CBR como el valor R, deben cumplirse. Además de las citadas especificaciones, los materiales de subbase deben estar conformes con las otras exigencias contenidas en las especificaciones de la AASHO M 147, “Materiales para Subbase – agregado, Base y Capa de Rodadura.

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PAVIMENTOS

C. REQUISITOS DE LA COMPACTACIÓN Generalidades Todos reconocen la importancia de una adecuada compactación de la subrasante y de cada una de las capas de la estructura del pavimento. Normalmente, la compactación aumenta el poder portante de cada capa. A no ser que cada una de las capas sea ampliamente compactadadurante la construcción, la consolidación adicional puede producirse bajo, el tráfico con la consecuentes a sentamientos, pérdida de lisura de la superficie y posible baches. El manual de pavimentos asfálticos, Serie de Manuales N° 8 (MS-8), del Instituto del Asfalto, discute la compactación en varios detalles.

Pruebas de compactación Las pruebas de compactación deben ser hechas en el laboratorio para cada uno de los materiales que han de utilizarse, para lograr la densidad máxima práctica que puede conseguirse. Para subrasantes, subbases y capa material granular para bases, las densidades de laboratorio deben ser fijadas por medio del método AASHO – Prueba T 180. Para bases de concreto asfáltico y para capas de concreto asfáltico para rodadura; también deben ceñirse a ASTM 1559 para el Marshll o ASTM 1560 para el aparato Hvee i AASHO T 169 (ASTM D 1138) para los aparatos Hubbard Field. Estas pruebas determinarán la densidad compactada de laboratorio. La descripción de esta clase de pruebas está en “Métodos de diseño de mezclas de concreto asfáltico y otros tipos de mezclas en caliente (MS-10), del Instituto del Asfalto.

Criterios de compactación

Se recomienda los siguientes criterios de compactación para la construcción de estructuras de pavimentos asfálticos.

1) Subrasantes cohesivas:

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PAVIMENTOS

En suelos arcillosos, deberá exigirse en el campo un mínimo de 95% de la densidad de laboratorio (Regla AASHO T 180 Método D), densidad para profundidades debajo del nivel de la subrasante según se indica en la Tabla N° 9.

TABLA N° 9 Espesor que se recomienda compactar con un mínimo de 95% de AASHO T 180

Indice de Tránsito Tráfico Liviano (IT < 10) Tráfico Mediano (10< IT 100)

6 a 12 pulg. 12 a 18” 18 a 24”

Por debajo del espesor de subrasante anteriormente especificado, toda área de relleno se compactará a 90% de AASHO T – 180, Método D de densidad. El contenido de humedad para compactación de suelos cohesivos deberá fijarse por experiencia, y debe seleccionarse para proporcionar la más alta consistencia a la modelación , con las consideraciones de expansión. Generalmente, suelos cohesivos no expansivos, deben compactarse con 1 o 2% en el lado seco de el óptimo de humedad de laboratorio, para lograr los mejores resultados.

2)

Subrasantes no cohesivas:

En suelos friccionantes, deberá exigirse un mínimo de densidad de 100% según AASHO T 180, Método D, en profundidades debajo del nivel de la subrasante según se indica en la Tabla N° 10.

TABLA N° 10 Profundidad recomendada que debe compactarse a un mínimo de 100% de AASHO T 180

Indice de Tránsito Tráfico Liviano (IT < 10) Tráfico Mediano (10< IT 100)

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6 a 12 pulg. 12 a 18” 18 a 24”

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PAVIMENTOS

Por debajo de las profundidades indicadas de la subrasante, todas las áreas de relleno deben compactarse al 95% de AASHO T 180, Método D.

3) Capas Subbase y Base Granulares: Mínimo de 100% de densidad según AASHO T 180 método D, para cualquier clasificación de tráfico. La carga de compactación y la presión de contacto deben ser tan altas como para que el material compactado los soporte sin desplazarse. Como sean más fuertes las cargas colocadas, la carga y la presión de contacto deben aumentar hasta o más allá de la presión de contacto que se prevee en el pavimento.

4) Bases de concreto asfáltico, Capas nivelantes y Capas de superficies: Un mínimo de compactación de 97% de la densidad de laboratorio lograda por los métodos ASTM D 1559, D 1560 o AASHO T 169 y por el esfuerzo de compactación especificado. Para efectos de la compactación de la Subbase, Base, Capa Nivelante y Superficie de Rodadura, la carga de compactación y la presión de contacto deben ser las más elevadas que el material compactado pueda sin desplazamiento. Al poner en obra capas más resistentes, la carga y la presión de contacto deben incrementarse hasta las presiones de contactos previsibles o por encima de ellas. Capa Nivelante: Capa de espesor variable empleada para eliminar las irregularidades de una superficie existente antes de cubrirla con un nuevo tratamiento o capa. Ver Fig. N° 8.

Prueba del Rodillo Para asegurarse que la subrasante está adecuadamente compactada y que no hay áreas blandas o inestables en la estructura, puede especificarse la Prueba del Rodillo como la prescribe el Manual de pavimentos asfálticos (MS-8) del Instituto del Asfalto.

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PAVIMENTOS

En las calles, por supuesto no pueden usarse rodillos pesados porque pueden dañarse instalaciones subterráneas.

ESPESOR DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO ASFÁLTICO

Generalidades: En este acápite se verán los métodos para establecer los espesores totales de la estructura del pavimento y de cada una de las capas que lo componen. El Indice de Tráfico y la resistencia de diseño para la subrasante, establecidos ya, son los datos básicos necesarios para la determinación de estos espesores. Los métodos también requieren que la estructura del pavimento se usen materiales con cualidades ya indicadas.

Diseño alternativo: Además de la estructura de los pavimentos totalmente de concreto asfáltico se usan también algunas combinaciones de concreto asfáltico, Base Granular y, la Subbase Granular que pueden satisfacer las exigencias del diseño de espesores. Estas alternativas de diseño se pueden ver en la FIG. N°9.

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PAVIMENTOS Capa de rodadura

Capa de rodadura CONCRETO ASFALTICO

BASE CONCRETO ASFALTICO

BASE GRANULAR

BASE

Subrasante

Capa de rodadura Capa de rodadura CONCRETO ASFALTICO CONCRETO ASFALTICO

BASE

BASE BASE GRANULAR

BASE GRANULAR

SUBBASE GRANULAR

Subrasante

Fig. N° 9 .- Diseños alternativos de la estructura de un pavimento asfáltico

Estos diseños alternativos consideran diferentes combinaciones y pueden ser confeccionados como base para seleccionar la estructura del pavimento más económico para el tráfico previsto y los materiales de la subrasante.

Relación de sustitución: Algunas combinaciones de materiales son más efectivas para distribuir y soportar los esfuerzos del tránsito en la estructura de un pavimento que otras. Entonces, las exigencias de espesor total y los de los espesores de las capas correspondientes, variarán con los materiales seleccionados para las capas de pavimento. El término Relación de Sustitución se refiere para indicar la relativa influencia de varios materiales en las exigencias del espesor. Por ejemplo, una pulgada de espesor de concreto asfáltico denso, similar al tipo IV de las mezclas del Instituto del Asfalto, es igual y tan efectivo en la estructura del pavimento, como otro de 2 pulgadas de Base Granular de alta calidad.

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PAVIMENTOS

Se recomienda las siguientes relaciones de sustitución: Relación de sustitución 2:1, indica que 2” de una Base Granular de alta

(1)

calidad que 11 no los requisitos indicados, equivalen a 1” de Concreto Asfáltico semejante al tipo IV. Relación de sustitución 2.7:1, indica que 2.7” de una Subbase Granular,

(2)

que llenen los requisitos indicados, equivalen a 1” de Concreto Asfáltico semejante al tipo IV. Relación de sustitución 1.35:1, indica que 1.35” de Subbase Granular,

(3)

equivalen a 1” de Base Granular. La relación de sustitución recomendada por el método se considera ser conservadora, para representar una buena práctica de diseño. Distintas relaciones de sustitución pueden ser utilizadas solo si se justifican a base de experiencias con materiales similares y condiciones de tráfico semejantes y prácticas locales. Se tiene también las siguientes relaciones de sustitución que se indican en la Tabla N° 11.

TABLA N° 11.- FACTORES DE EQUIVALENCIA ENTRE CAJAS CONVENCIONALES Y CAPAS DE CONCRETO ASFÁLTICO, EN CUANTO A ESPESOR. Capas convencionales Bases asfáltico de arena, mezcla en planta Bases asfáltica elaboradas con asfaltos líquidos o emulsiones. Base granular de alta calidad (CBR > 100%) Base granular de baja calidad (CBR > 20%)

Factor de equivalencia 1.3 1.4 2.0 2.7

En la tabla anterior se hecha de menos, por razones obvias, la citación de varios tipos de capas muy usuales que no fueron objetos de investigación experimental. También se señala que los valores del CBR que aparecen se refiere al uso de la técnica del Cuerpo de Ingenieros Militares de EUA, por lo que no podrán utilizarlos provenientes de otras modalidades de la prueba.

Gráficos para el diseño de espesores

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PAVIMENTOS

La Fig. N° 10 y la Fig. N° 11, contienen los gráficos básicos para determinar el requerimiento total de espesor de la estructura del pavimento y el espesor de todas las capas componentes. La Fig. N° 10 se utiliza con resistencia de la subrasante medida por el CBR en la prueba de la placa portante. La Fig. N° 11 se utiliza con resistencia de la subrasante medida en términos del valor de R, derivados del procedimiento de prueba del estabilómetro. Los dos gráficos proporcionan el espesor total requerido en términos de T A, exigencia de espesor total de concreto asfáltico. Diseños alternativos, incorporando Base Granular y capa de Subbase, también pueden obtenerse con estos gráficos cuando se utilizan relaciones de sustitución apropiadas. La línea AA en el gráfico se utiliza para establecer el espesor mínimo de la Superficie de Concreto Asfáltico y la Base de Concreto Asfáltico exigidos para cualquier resistente de subrasante en Indice de Tráfico. La línea BB determina si se puede usarse Subbase. También se usa para la determinación del espesor requerido por la Base y la Subbase. Los procedimientos para estas determinaciones se describen en seguida. Los datos básicos por usar los gráficos son: 1)

EL INDICE DE TRÁFICO, establecido por los procedimientos ya descritos.

2)

RESISTENCIA DE LA SUBRASANTE (CBR, Valor R o Valor del plato portante).

Exigencia de espesor mínimo de Concreto Asfáltico El espesor mínimo de concreto asfáltico xxxxxxx cada índice de tráfico, está indicado por la línea AA de las Figuras N° xxx y N° 11. De la intersección de la línea que representa el Índice de Tráfico con la línea AA, se traza un horizontal a la escala TA redondeando el resultado a 0.5”. Esta será la exigencia del mínimo espesor de concreto asfáltico. Este espesor consiste en una Capa de Superficie y la Capa de Base de Concreto Asfáltico. El espesor de la Capa de Superficie no podrá ser menor de lo que indica la Tabla N° 11.

TABLA N° 11.- EXIGENCIAS DE ESPESOR MÍNIMO PARA CAPA SUPERFICIAL DE CONCRETO ASFÁLTICO

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PAVIMENTOS

Índice

Espesor mínimo sobre la Base de Concreto asfáltico, (Capa de Rodadura)

Menos de 10 (TRÁFICO LIVIANO) 10 - 100 (TRÁFICO MEDIANO) Más de 100 (TRÁFICO PESADO)

1” (2.5 cm.) 1 ½” (3.8 cm.) 2” (5.0 cm.)

Cuando no se utilizan Bases Asfáltica sino las comunes Bases Granulares (No tratadas), el espesor mínimo de Capa de Rodadura de concreto asfáltico que propone el Instituto del Asfalto puede obtenerse de la Fig. N° 12

REQUISITOS MÍNIMOS PARA MATERIALES DE BASE HIDRAULICA Normas

Tipo de prueba CBR, mínimo Valor R, mínimo Límite Líquido, máximo

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Baja calidad

Alta calidad

20 55 25

100 80 25

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PAVIMENTOS

Índice Plástico, máximo Equivalente de arena, mínimo Máximo % de material que pasa tamiz N° 200

6 25

NP 50

12

7

Figura N° 12 .- Espesores mínimos de Carpeta de Concreto Asfáltico sobre Bases Granulares.

Debe comentarse que los resultados de la utilización de la Fig. N° 12, conducen a Capa de Rodadura que quizá resulten algo excesivas para la tecnología de algunos países, en los que es muy raro verlas construidas aún en carreteras de excelente comportamiento y en los que la utilización de la capa de rodadura, con sistema de mezcla, aun a base de un solo riego, han dado magníficos resultados en carreteras de tránsito moderno. También se debe tener en cuenta que, como en esta clase de pavimentos la capa de rodadura tienen un espesor considerable (más de 2” o 5 cm.), por tener una gruesa capa; su estabilidad es mayor y no es totalmente flexible. La rigidez excepcional de la capa lo hace poco deformable y la rutina del pavimento puede producirse cuando la deformabilidad excesiva de las capas inferiores de lugar a la fisuración de la capa superior. Por esto, cuando se usa capa de rodamiento con espesores mayores de 2”, es frecuente ejecutar dos capas de constitución diferente. La capa inferior, generalmente menos compacta y menos rica en ligante, se llama BRINDER o CAPA INTER xxxx DIA, la superir es la Capa de Rodamiento.

RODADURA

BINDER

CAPA DE RODADURA DE CONCRETO ASFALTICO

FIG. N° 13 .- Partes de la Capa de Rodadura

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PAVIMENTOS

DETERMINACIÓN DEL ESPESOR DE DISEÑO El espesor de diseño TA se determina de la Fig. N° 10 y de la Fig. N° 11. Se sitúa la resistencia de diseño de la subrasante en la escala horizontal del gráfico apropiado. Se traza una línea vertical hasta cortar la línea que representa el Índice de Tráfico, interpolando si es necesario, y de este punto se sigue una horizontal hasta llegar la escala vertical de la izquierda del gráfico, donde se lee el espesor redondeándolo dentro de 0.5 pulgadas. Este es el espesor de diseño TA cuando la exigencia mínima de espesor de concreto asfáltico es mayor que TA; este utiliza como “Espesor de Diseño”. Espesor Total de Construcción Asfáltica Si el espesor total es de asfalto, el espesor recomendado de la estructura del pavimento es igual al espesor de diseño TA. Espesor Mínimo de Capa de Base y Subbase Granulares En los siguientes conceptos se recomienda cierta exigencias mínimas para espesores de capas granulares de Base y Subbase. De todas maneras no es práctico el construir estas capas de espesor menor de 3 pulgadas (0.5 cm.).

Casos de sustitución que se presentan Se pueden presentar tres casos de sustitución: 1° Sustituir una porción des Concreto Asfáltico por una Base Granular: bases Granulares de alta calidad pueden sustituir aquella parte de espesor de diseño, TA, que excede de la “Exigencia de espesor de mínimo de concreto asfáltico” determinada por la Línea AA. Se recomienda una medida de sustitución de 2” de capa asfáltico y base granular, se procede así: a.

Del punto de intersección (1), ver Fig. N° 13, de la línea vertical el valor resistente del suelo con la diagonal Índice de Tráfico; se traza una horizontal en la escala TA, leyéndose el valor redondeándolo dentro de 0.5”

Esta es la exigencia total de concreto asfáltico sobre la subrasante (Espesor total del concreto asfáltico).

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PAVIMENTOS

b.

Desde el punto de intersección (2) del Índice de Tránsito con la Línea en el gráfico se traza una horizontal hacia la escala TA, leyendo el valor T1 en la más próxima 0.5”

Este es el mínimo recomendable de espesor combinado de concreto asfáltico para Base y Capa de Rodadura que puede permitirse. CBR

A

B T1

2

TA 3

IT

A

1 B

FIG. N°13

c.

Se resta el valor determinado en el paso (b), del valor determinado en el paso (a) o sea (TA – T1). Este es el espesor de concreto asfáltico base que puede ser sustituido por una Base Granular. Ver Fig. N° 14

CAPA DE RODADURA

BASE

TA = Espesor Total de capa DE C.A.

T1

(TA - T1)

SUBRASANTE

FIG. N°14 d.

Se multiplica el valor obtenido en el paso (c) por la razón de sustitución de 2:1 (Para base granular con relación a base de concreto asfáltico). Esto determina el espesor de la Base Granular (TA – T1)2.

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PAVIMENTOS

e.

El espesor total requerido para la estructura, utilizando concreto asfáltico y Base Granular es la suma del valor determinado en el paso (1) más el valor determinado en el paso (d) Fig. N° 15 Puede utilizarse otras combinaciones de espesores, de concreto asfáltico y base granular. El espesor de concreto asfáltico encontrado no debe ser nunca menor que el determinado en el paso (b). La exigencia de espesores totales de la estructura del pavimento debe ser aumentada en la diferencia entre el espesor calculado de Base Granular el espesor del concreto asfáltico para el que se hizo la sustitución. CAPA DE RODADURA

BASE

T1

CONCRETO ASFALTICO

(TA – T1 ) 2

ESPESOR TOTAL DEL PAVIMENTO

MATERIAL GRANULAR

SUBRASANTE

FIG. N°15 2° Sustituir una porción de Concreto Asfáltico por una Subbase Granular: El mínimo espesor exigido para permitir el uso de Subbase de material granular, se indica para cada Índice de Tráfico por la Línea BB. De la intersección de la línea que representa el Índice de Tráfico con la Línea BB, se traza una horizontal hacia la escala TA leyendo en la próxima división des 0.5 pulgadas. Cuando es igual o mayor que el Espesor de diseño TA, entonces la subbase granular no puede utilizarse. (Sucede cuando el punto 1 cae a la derecha de BB). Para determinar las exigencias de espesores para combinaciones de Concreto Asfáltico y Subbase Granular, se procede así: a. Del punto de intersección (1), ver Fig. N° 16, de la línea vertical bajada de la escala de la resistencia del suelo, con la diagonal Índice de Tráfico, se traza una horizontal a la línea de escala TA, leyendo el valor en la última 0.5 pulgada del valor más alto. Esta es la exigencia de espesor total de concreto asfáltico sobre la subrasante. b. Desde el punto de intersección de la línea diagonal que representa el Índice de Tráfico con la Línea BB se traza una horizontal hasta la escala T A, leyendo el valor T1 en la más próxima 0.5 pulgadas. Este es el mínimo espesor permisible de concreto asfáltico, recomendable, fuera del espesor de la Base Granular necesaria (No se usan Base Granular). CBR

A B

T1 TA A

1

2

A

B

FIG. N°16

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PAVIMENTOS

c.

Se resta el valor determinado en el paso (b) del valor terminado en el paso (a) o sea (TA- T1). Este es el máximo espesor de concreto asfáltico que puede ser sustituido por la Subbase Granular. Ver Fig. N° 17 CAPA DE RODADURA

BASE

TA = Espesor Total de capa DE C.A.

T1

(TA - T1)

d.

FIG. N° 17

SUBRASANTE Se multiplica el valor logrado en el paso (c) por la razón de sustitución de 2.7:1

(para subbase con respecto a concreto asfáltico). Esto determina la exigencia de espesores de subbase granular para usarse con el mínimo permisible de espesores de concreto asfáltico determinado en el paso (b). e.

La exigencia de espesor total de la estructura del pavimento, es entonces igual a la suma de los valores derivados de los pasos (b) y (d); como su muestra en la Fig. N° 18 CAPA DE RODADURA

BASE

TA

CONCRETO ASFALTICO

ESPESOR TOTAL DEL PAVIMENTO

(TA – T1 ) 2.7

SUBRASANTE

FIG. N° 18

Puede usarse otras combinaciones de espesores de concreto asfáltico y subbase. Cuando se usen dichas combinaciones, de todas maneras los espesores de concreto asfáltico no deben ser menores que los determinados en el paso (b). La exigencia de espesores de la estructura del pavimento debe incrementarse en la diferencia entre los espesores calculados de subbase y los espesores del concreto asfáltico por lo que fueron sustituidos.

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PAVIMENTOS

3° Sustituir una porción de Concreto Asfáltico por una Base y Subbase Granulares: La estructura del pavimento puede estar compuesta de combinaciones de concreto asfáltico, Base y Subbase Granulares, con las limitaciones especificadas más abajo, se puede si el punto de intersección de la vertical basada de la escala de resistencia de los suelos con el índice de Tráfico cae a la izquierda de la Línea BVB en el gráfico correspondiente. Para determinar las exigencias de espesores para estas capas componentes se procederá a esta manera: a.

Del punto de intersección (1) de la vertical bajada de la escala de resistencia de suelo, con la línea que representa el Índice de tráfico se traza una horizontal hacia la escala TA leyendo el valor en la última media pulgada superior. Fig. N° 19 Esta es la exigencia total del espesor del concreto asfáltico sobre la subrasante.

b.

Del punto de intersección del Índice de Tránsito con la Línea AA se traza una horizontal hacia la escala TA, leyendo el valor T1 de la más próxima 0.5 pulgada.

c.

Del punto de intersección de la línea que representa el Índice de Tránsito, con la Línea BB, (2); se traza una horizontal hacia la escala TA, leyendo un valor T2 de la próxima 0.5 pulgada. Este es el mínimo permisible de espesor de concreto asfáltico, Base y Capa de

Rodadura; si se contempla el empleo de una Subbase Granular. CBR

A B

T 1 T2

2 3

T A

A

1 B

FIG N° 19 d.

Se resta el valor derivado del paso (b), del obtenido en el paso ( c), (T2- T1). Este es el espesor de concreto asfáltico mínimo permisible, que se recomienda

pude ser reemplazado por una Base Granular, si se utilizan el espesor mínimo de concreto asfáltico T1. (paso b). e.

Se resta es el máximo espesor de concreto, para el cual puede sustituirse por una Subbase Granular. Ver Fig. N° 20.

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PAVIMENTOS

T1 de C.A.

BASE (T2 - T1) de C.A.

T2 de C.A.

TA = Espesor Total de capa

(TA - T2) de C.A.

Subrasante FIG.N° 20 f.

Para establecer el espesor mínimo permisible de xxxxxxx va a usar el espesor mínimo de concreto asfáltico, se multiplica el valor derivado del paso (d), (T2T1), por la relación de sustitución 2 para Base Granular con relación al concreto asfáltico.

g.

Para establecer el máximo espesor permisible de Subbase, se multiplica el valor deducido del paso (e), (TA- T2), por la razón de sustitución 2 de la Subbase, con relación al concreto asfáltico.

h.

Se reajusta el espesor total requerido por la estructura del pavimento, paso (a), (f) y (g). Ver Fig. N° 21 BASE

CAPA DE RODADURA

T1 DE C.A.

(T2 - T1) x2

ESPESOR TOTAL DE PAVIMENTOS

(TA - T2) x 2.71 SUBRASANTE

FIG. Nº 21 Otras condiciones de concreto asfáltico, base y subbase granulares pueden establecerse. Estas combinaciones de espesores deben calcularse de manera similar a la descrita. En ningún caso, por supuesto, podrá el espesor de concreto asfáltico sea menor que la deducida del paso (b), ni el espesor de la subbase ser mayor que la establecida en el paso (g). El espesor total del pavimento requerido debe ajustarse a lo descrito en el paso (h).

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PAVIMENTOS

Indicaciones Importantes: Si el punto de intersección (1) entre la línea vertical que indica la capacidad portante de la subrasante y la que señala el valor de Índice de Tráfico, cae a la derecha de la Línea AA; en este caso no hay sustitución posible de una porción de concreto asfáltico por una Base ni por una Subbase granulares. Y el espesor mínimo de concreto asfáltico Ta a colocarse sobre la subrasante se obtiene trazando una horizontal por el punto de intersección (2) entre la Línea AA con la que señala el valor del tránsito para el diseño . Fig. N° 22

A

CB R

B TA

2

1

A B

FIG N°22.

CAPA DE RODADURA

BASE

CAPA ANTICONTAMINANTE

ESTRUCTURA ABIERTA

Subrasanante

FIG. Nº 26 Selección de la solución Después de proyectar diversas posibilidades, se determina el costo estimado de cada sección, incluyendo otros elementos, como los costos anuales medios la conservación, las condiciones climatológicas y los resultados obtenidos en la práctica con pavimentos asfálticos construidos utilizando los materiales local.

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PAVIMENTOS

En ciertas zonas, la experiencia y condiciones locales pueden justificar la modificación del espesor del proyecto. Los espesores obtenidos por el método de Instituto del Asfalto están del lado de la seguridad, y son adecuados para las condiciones más difíciles; sin embargo; los ensayos físicos y químicos, xxxxxxxxx utilizados, pueden no ser suficientes para prever el comportamiento de los suelos. Si se cree que existe estas circunstancias, se debe consultar con una especialista en suelos.

CONSTRUCCIÓN POR ETAPAS

La construcción por etapas es la construcción de un camino o calle por donde la construcción sucesiva de capas de concreto asfáltico de acuerdo al diseño con un predeterminado programa de tiempo. Dos aproximaciones a una construcción por etapas se describen a continuación. En cada una, el pavimento es para construirse en dos etapas. a)

Una aproximación es para utilizar el período total de diseño de 20 años entonces, para el paso (1) reducir el espesor de diseño por 1’ o 2’ de concreto asfáltico o un espesor equivalente de Fase o Subbase granular.

b)

El otro es para usar un período de tiempo más corto para el paso (1) de espesor de diseño, digamos 5 años o menor y luego preveer la construcción al final de ese período.

Ventajas de la construcción por etapas Las ventajas de la construcción por etapas son: -

Se puede realizar la prueba del comportamiento.

-

Un análisis del tráfico, posible entre más preciso

-

Una mejor utilización de los fondos.

-

La prueba del comportamiento se gana localizando y reparando los desperfectos que pueden desarrollarse dentro de la primera o segunda etapa.

Las electrificaciones menores pueden ser hechas antes de planear la segunda etapa y dar como resultado un pavimento con superficie de rodadura lisa de mejor comportamiento.

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PAVIMENTOS

-

Para el diseño inicial debe estimarse el volumen de tráfico, así es posible en la segunda etapa, tener más datos sobre el tráfico que utiliza el camino en la actualidad.

Estas enmiendas para el diseño pueden ser hechas en el paso (2) ya sea aumentando o disminuyendo la etapa de los 20 años para el diseño. -

Ambas ventajas darán como resultado una mejor utilización de los fondos.

Procedimientos de diseño 1)

Construcción por etapas, por reducciones del espesor de la

Estructura para pavimento del diseño total: Se reduce el espesor de la estructura del pavimento para el período de diseño de 20 años utilizando los procedimientos descritos anteriormente. Los pasos siguiente deben hacerse para estimar el tiempo entre las etapas (1) y el tiempo en el que el pavimento debe construirse en su etapa (2) del diseño. a.

Se reduce el espesor de la estructura del pavimento en el diseño para 20 años, en una o más pulgadas de concreto asfáltico, o en un espesor equivalente de Base o Subbase granulares, utilizando la razón de sustitución dada.

Este puede ser el diseño para la primera etapa de construcción. b.

Se estima el número de años de servicio entre la etapa 1 y la etapa 2.

El pavimento se construirá para el total de 20 años de diseño en la etapa 2. El tiempo entre la etapa 1 y la etapa 2 de construcción deben calcularse por la determinación del período de diseño para la sección estructural de la etapa 1 para una sección plena de concreto asfáltico utilizando la razón de sustitución dada. Este período de diseño en años, es igual a 20 veces el Índice de Tráfico obtenido del gráfico de diseño para espesores, dividida por el Índice de Tráfico original para 20 años.

Periodo de diseño Etapa 1 

20 It Etapa 1 It 20 años

Ejemplo 1 Supongamos que el It es 490 y que el valor resistente del suelo, es CBR = 1%.

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PAVIMENTOS

El espesor de diseño TA determinada por la figura es 11.5. el diseño decidido debe tener 2” de TA para la etapa 1. Debe determinarse el período de vida que se espera para las 9.5 restantes. Solución De acuerdo con la Etapa 10, el Índice de Tráfico para CBR = 4% y T A = 5.5 es aproximadamente 75. Una estimación conservadora del período de diseño de la sección será:

 20  75 490

 3.06 años

Esto indica que la etapa 1, da una esperanza de buen comportamiento y servicio para cerca de 3 años. Durante el período estimado de tiempo que sigue a la construcción de la etapa 1, puede hacerse un reajuste de la evaluación original del tráfico. Si la estimación original resultara realista, etapa 2 debe construirse como se había establecido. Si el tráfico actual prueba una diferencia significativa, entonces debe hacerse un reajuste al tiempo de hacer la etapa 2 de construcción El período de diseño estimado después de la etapa 2 es de 20años. El periodo total estimado como período de diseño es la suma de período de la etapa 1 más 20 años. 2)

Construcción por etapas para un período determinado de

tiempo: Siempre es deseable el construir un pavimento para un período de diseño de solo pocos años, anticipándose que la segunda etapa puede diseñarse más adecuadamente cuando el patrón de tráfico lo establezca. Este tipo de construcción por etapas es particularmente importante para calles o caminos rurales de poco volumen de tráfico, donde no se puede sacar informaciones en el presente y, solo después de la primera etapa, el dato para el futuro tráfico utilizable. El diseñador selecciona un período de tiempo para el que desea que el diseño de la primera etapa sea adecuada a la mejor estimación del tráfico presente.

El Índice de Tráfico para la etapa 1 es: IT (Etapa 1) = 0.05N x IT (para 20 años) Donde:

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PAVIMENTOS

0.05 = 1/20, se llama Factor de corrección del tiempo. N

= Número de años deseables para la etapa 1 y la 2.

IT (20 años) = IT para 20 años como se ha descrito ya. El diseño de la etapa 1 se determina utilizando este IT con el procedimiento ya descrito.

Ejemplo 2 Supongamos que la información utilizada indica un IT de 50 y una subrasante de R = 30. Supongamos también que el diseñador desea que el tiempo de la primera etapa sea de 3 años. Solución: El IT para usar la Figura N° 11 para el periodo de 3 años es: 0.05 x 3 x 50 = 7.5 Entonces, el espesor de diseño TA de la Figura N° 11 para la primera etapa con 3 años de servicio es 7”. Un diseño alternativo puede proponerse como se establece para relaciones de sustitución. Se anticipa que la segunda etapa se construirá al final del período de tiempo asumido antes. El diseño para la segunda etapa puede hacerse para cualquier período de tiempo, como se describe para la etapa 1 un nuevo IT para los años que le corresponde.

Ejemplo 3 Calcular el espesor del pavimento flexible para una carretera de dos carriles para un período de diseño de 20 años, sabiendo que el IT es 140 y el terreno de fundación tiene una capacidad portante de CBR = 4%. El diseño del pavimento debe hacerse por etapas, siendo la primera de 5 años. Solución: 1)

Cálculo del pavimento para la primera etapa de 5 años.

a.

Se corrige el IT de acuerdo a la indicación anterior, usando la fórmula:

IT’ = 0.05 N IT Donde: IT’ = Índice de tráfico para 5 años (etapa 1) N = Período de diseño de la etapa 1 = 5 años IT = Índice de tráfico para 20 años = 140

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PAVIMENTOS

IT’ = 0.05 x 5 x 140 = 35 Con IT’ = 35 y CBR = 4%, se determina el espesor total del pavimento

b.

de concreto asfáltico, de acuerdo al procedimiento indicado, y se tiene: TA = 8,5”. Ver Fig. N° 27

8.5 " DE C.A.

SUBRASANTE CBR = 4%

FIG. Nº 27 Como el IT’ = 35, es un Tráfico Mediano y para este, la Capa de

c.

rodadura mínima es 1.5”, el diseño podrá ser; ver Fig. N° 28 CAPA DE RODADURA BASE

1.5" 8.5" 7.0"

SUBRASANTE

FIG. Nº 28 d.

Para IT de 140 y CBR de 4%, el espesor total del pavimento de concreto asfáltico es 11”, entonces, la disminución del espesor de la estructura será:

11 – 8.5” = 2.5” de concreto asfáltico. e.

Si se contempla el uso de Base granular, para IT = 140, la estructura tendrá un espesor mínimo de concreto asfáltico de 5”.

Entonces, para IT’ = 35, la parte de concreto asfáltico que puede sustituirse por una Base granular, será:

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PAVIMENTOS

8.5” – 5” = 3.5” f.

El espesor de cada una de las capas del pavimento, será:

Capa de rodamiento de Concreto asfáltico = 1.5” Capa de Base de Concreto asfáltico = 5.0”-1.5”=3.5” mínimo. Capa de Base Granular

= 3.5” x 2 = 7.0”

Ver. Fig. N° 29

CAPA DE RODADURA

BASE

1.5

"

3.5" 12" 7"

SUBRASANTE

FIG. Nº 29 2) Cálculo del pavimento para la segunda etapa a. Se puede modificar el IT y el tiempo de diseño; el primero de acuerdo a las condiciones reales del tráfico al final del período de la etapa 1, y el segundo, conforme a la necesidad. Supongamos que el IT previsto de 140 no es conforme, porque el crecimiento del tráfico vehicular a sido mayor y el número de camiones pesados ha aumentado y que el IT sea 600 y el período de diseño se ha fijado en 20 años. b. Con el IT de 600 y el CBR primitivo de 4%, se determina el espesor total de concreto asfáltico del pavimento sobre la subrasante y es 12”. c. En la primera etapa, el espesor del pavimento de concreto asfáltico, o con el espesor existente es de 8.5”, entonces, lo que hay que añadir para alcanzar el espesor necesario, es: 12.0” – 8.5” = 3.5” Esto es, que al pavimento existente hay que ponerle una sobre carga de cemento asfáltico de 3.5”. d. Si el pavimento fue construido todo de concreto asfáltico, quedará cada siguiente diseño. Ver Fig. N° 30. SUPERFICIE DE C.A. SOBRE CARPETA DE CA 3.5" 1.5"

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PAVIMENTOS 12" PAVIMENTO EXISTENTE

7" BASE CA

Subrasante

FIG Nº 30

Y en caso de haberlo construido con Base granular; se tiene el siguiente espesor, como indica en la Fig. N° 31

SUPERFICIE DE C.A

SOBRE CARPETA DE C.A 3.5" 1.5"

BASE DE C.A. 3.5"

15.5"

PAVIMENTO BASE GRANULAR EXISTENTE 7"

FIG. N° 31 En consecuencia, este procedimiento es importante porque: - Permite una observación racional de la evolución del pavimento durante los primeros años y hacer pequeñas reparaciones necesarias antes de realizar la segunda capa de aglomerado. - Prevé una o más capas necesarias de aglomerado asegurando una superficie de rodadura durante toda la vida del pavimento. - Recibe los datos concernientes al tráfico a la medida y en la medida del delante de las obras y modificar con conocimiento de causa las previsiones de cálculo. - Da una base adicional a un método de construcción con frecuencia adoptado sin otra justificación que consideraciones subjetivas.

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PAVIMENTOS

DISEÑO DE ESPESORES EMPLIANDO NOMOGRAMAS Muchas veces, algunos cálculos en el diseño de espesores de los pavimentos de asfalto, se pueden agilizar, empleando gráficos. En este caso, el valor del número de transito para el diseño (NTD), se podrá obtener multiplicando el valor del Número de Tránsito Inicial (NTI), usando el nomograma de la N° 32, con el factor de corrección para este valor obtenido para el período de diseño y la tasa de crecimiento, mediante el uso de la Tabla N° 2. A manera de ilustración, veamos un ejemplo:

Ejemplo: Diseñar la estructura de un pavimento flexible, empleando el Método del Instituto del Asfalto, para una carretera de cuatro carriles. De acuerdo al aforo realizado, se tiene el siguiente volumen de tráfico. Tipo de vehículo A B C2 C3 T2S2 T3S2 TOTAL

Volumen Promedio anual diario en dos direcciones 9,540 680 738 110 Vehículos Pesados = 1,664 34 102 11,204

Los materiales que forman la subrasante son de origen volcánico ML y MH (limos inorgánicos de mediana plasticidad y de baja a alta compresibilidad). Para el diseño del espesor total de la estructura se considera un CBR de 10% del material de subrasante y se empleará piedra triturada de alta calidad en capa de Base hidráulica. Se considera que el período de diseño es de 10 años, con una tasa de crecimiento anual de 7%. Solución: 1) Evaluación del Tráfico: - Cálculo del Número de Tránsito de Diseño (NTD) Este valor se obtiene a partir del volumen de tránsito mezclado, transformando a carga equivalente de 18,000 lbs. (8.2Tn) por eje simple. El volumen de Tránsito Diario Promedio Anual Inicial (TDPA) y es igual a 11,204 vehículos. El número de camiones pesados en el carril de diseño se calcula aplicando la formula siguiente:

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N  TDI x '

A B x 100 100

donde: A = % de camiones pesados en dos direcciones. B = % de camiones pesados en el carril de diseño. Como los vehículos pesados suman 1,664, entonces: 1,664 A  x 100  14.85  1490% 11,204 La Tabla N° 1, para una carretera de cuatro carriles, resulta: B = 45% Reemplazando: 14.9 45 N  11,204 x x  751 100 100 suponiendo que el peso medio de los camiones pesados es 15 Tn con ejes simples de 18,000 lbs; en el nomograma de la Fig. N° 32, se obtiene el Número de Tránsito Inicial (NTI): NTI = 480, corresponde a Tránsito Pesado. Usando la Tabla N° 2, para un periodo de diseño de 10 años y una tasa de crecimiento anual de tránsito de 7 %, (se obtiene interpelando entre 6 y 8%), el Factor de Ajuste de Tránsito Inicial es de 0.69. Entonces, el Número de Tránsito Inicial de Diseño (NTD), será: NTD = NTI x 0.69 = 480 x 0.69 = 331 2)

Cálculo de la estructura del pavimento: - Conociendo el Tránsito de Diseño 331 y con CBR de 10% del terreno de fundación, empleando el mismo nomograma se tiene el espesor total: Espesor Total = 7.5” (19 cm) de Concreto Asfáltico - Como el pavimento debe tener una Base Hidráulica constituida por piedra triturada de alta calidad, en el gráfico de la Figura N° 12, se obtiene el espesor mínimo de Capa de Rodadura requerida por una Base hidráulica de alta calidad. Para nuestro caso, el espesor mínimo de concreto asfáltico para un tráfico de 331, será: Espesor mínimo de concreto asfáltico = 5.5” (14cm) Por lo que, el espesor de la Base granular será: 7.5” – 5.5” = 2.0” (5cm) en concreto asfáltico. De acuerdo cm la Tabla N° 11, el Factor de Equivalencia correspondiente a una Base granular de alta calidad (CBR 100%) es de 2.0 El espesor real de la Base granular = 2”x2” = 4” (10 cm). En conclusión, la estructura del pavimento flexible quedará de la forma como indica la Fig. N° 33. 5.5" 9.5" (24 cm)

FIG. N° 33

4.0"

SUBRASANTE

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