Post on 10-Feb-2016
description
1. Introducción y conceptos de diseño de pavimentos
2. Métodos de diseño y tipos de pavimentos
3. Suelo de fundación y materiales de la estructura de pavimento
4. Tráfico de diseño
5. Consideraciones de drenaje para el diseño de pavimentos
6. Comportamiento de los pavimentos
7. Método de diseño de pavimentos flexibles AASHTO 1993
8. Método de diseño de pavimentos flexibles del Instituto del Asfalto
9. Ejemplo de aplicación de diseño de pavimentos flexibles
10. Método de diseño de pavimentos rígidos AASHTO 1993
11. Método de diseño de pavimentos rígidos PCA
12. Ejemplo de aplicación de diseño de pavimentos rígidos
13. Introducción al método de diseño mecanístico empírico AASHTO 2002
14. Conceptos de gestión del mantenimiento
“……..Si se da dos diseñadores la
tarea de diseñar un pavimento para
una vida útil de 20 años, el primero
puede considerar que hizo un buen
diseño si no apareció ninguna grieta
en 20 años, mientras que el segundo
estará satisfecho si el último vehículo
pudo circular el año 20 desde la
construcción”
AASHTO Test Report 5, 1962
• Es el proceso por el cual los componentes estructurales (carpeta,
losa, base, sub base, subrasante) de un segmento de carretera
son determinados tomando en consideración la naturaleza de la
sub-rasante, las consideraciones ambientales, densidad y
composición del tráfico, y las condiciones de mantenimiento.
• Considerando que el pavimento es la parte superior de una
carretera, aeropuerto o zona de parqueo e incluye todas las
capas que se apoyan en el suelo natural, incluidas las bermas.
En forma resumida el diseño de la estructura del pavimento es:
• Establecer espesores y rigideces de los materiales para
mantener la vía bajo un cierto nivel de deterioro y confort.
• Estudio de la subrasante
• Selección de los materiales (tipos de pavimentos)
• Proporcionamiento de los materiales
• Estudio del tráfico
• Diseño de los espesores de cada capa
• Análisis del ciclo de vida (incluido mantenimiento y tipo de
ejecución)
• Determinación de espesores finales
• Proporcionar a los usuarios circulación segura, cómoda y
confortable sin demoras excesivas
• Proporcionar a los vehículos acceso entre dos puntos bajo
cualquier condición de clima. Reducir y distribuir la carga de
tráfico para que esta no dañe la subrasante
• Cumplir requerimientos medio ambientales y estéticos
• Limitar el ruido y la contaminación del aire
• Suficiente espesor para que la intensidad de las cargas y
presiones sea tolerable por la subrasante, sin deformaciones
excesivas
• Resistencia suficiente de los componentes para asumir los
esfuerzos impuestos por el tráfico y el clima.
• Suficiente espesor para prevenir el efecto del congelamiento en
subrasantes.
• El material del pavimento debe ser impermeable a la penetración
del agua superficial que pudiera debilitar la subrasante y
consecuentemente el pavimento o en su defecto facilitar la
circulación del agua disminuyendo su permanencia en la
estructura
• La superficie del pavimento debe ser resistente al deslizamiento
• Los romanos construyeron 84,000 km de vías empedradas
elevadas del nivel de rasante apoyadas en una estructura de
piedras grandes
• Los incas y preincas construyeron caminos peatonales de
gran longitud con superficies de piedra y arena.
Se estima que
alcanzaron
una longitud
de 25,000 Km
Dos grandes
caminos
longitudinales
(norte-sur)
Varios
caminos
trasversales
(Este-oeste)
• En Francia en el siglo XVII se construyeron vías de poco ancho
con superficie de rodadura formada por piedras pequeñas, y
arena.
• En EEUU e Inglaterra en 1830 se emplea el asfalto y arena como
protección de la carretera.
• En Austria en 1850 se emplea por primera vez el pavimento
rígido.
• En 1900 aparecen los vehículos a motor con neumáticos.
• Pierre Trasaguet finales del siglo
XVII, introduce el concepto de
que el pavimento debe contar
con un buen drenaje y que
requiere un mantenimiento
continuo.
• John McAdam (1756-1836), la
subrasante con drenaje y
adecuadamente compactada
debe soportar la carga mientras
que la superficie de rodadura
está conformada por piedra
chancada de diferentes tamaños
que actúa también como una
capa de protección.
• En 1941 en EEUU se
efectúa el ensayo en
pista de prueba de
Maryland , donde se
analiza el efecto de 4
configuraciones
diferentes de
pavimentos de
concreto.
• En 1997 se inicia en EEUU SHRP (Strategic Highway Research
Program)
• Pista de Pruebas West Track iniciada en el año 1996
• Desarrollada como la guía de Estructuras de Pavimentos 2002
basada en métodos mecanísticos - empíricos (M-E) y sustentada
en un programa de cómputo
• JPCP (losas con juntas )
• JRCP (losas con refuerzo)
• CRCP (losas continuas con refuerzo)
• PCP (losas pre-esforzadas)
• MÉTODOS EMPÍRICOS
Reglas prácticas
CBR, Kansas, etc.
Esfuerzo cortante límite
Deflexión límite
Regresión basada en el comportamiento
PCA
AASHTO 1993
• MECANÍSTICOS EMPÍRICOS
• Instituto del Asfalto
• SHELL
• AASHTO 2002
• MÉTODOS MECANÍSTICOS
• Soluciones analíticas (Westergaard, etc)
• Soluciones numéricas (elementos finitos,
probabilística, etc)
• La inversión vial en el perú ha sido significativa desde los años
90, recuperando la red nacional, y la red vecinal en una gran
extensión.
• La red Nacional está a cargo de PROVIAS NACIONAL, con varios
tramos concesionados
• La red Departamental a cargo de PROVIAS DESCENTRALIZADO
y los Gobiernos Regionales
• La red Vecinal a cargo de PROVIAS DESCENTRALIZADO y los
Municipios.
• Estructurales: rotura de uno o más componentes del pavimento
• Funcionales: la carretera no es capaz de cumplir su función por
problemas de confort, seguridad o regularidad superficial
(rugosidad)
• Se desarrolla en la parte inferior de la carpeta asfáltica
• Los gráficos de diseño se elaboraron en base a una mezcla
asfáltica con 11% de asfalto en volumen y 5% de contenido de
vacíos, y se considera falla cuando el 20% del área está fisurada.
Donde:
• Nf: número de repeticiones de carga para producir la falla
• εt: deformación por tensión en la parte inferior de la capa de
carpeta asfáltica
• EAC: Módulo de elasticidad de la carpeta asfáltica
• El ahuellamiento límite debe ser menor a0.50” (12.7 mm)
Donde:
• Nf: número de repeticiones de carga para producirla falla por
ahuellamiento
• εc: deformación compresión en la parte superiorde la subrasante
• AASHTO desarrollo las siguiente ecuación para predecir el
agrietamiento, sin embargo no se utiliza en el diseño:
Donde:
• Dc: es el índice de espesor del fisuramiento
• L: es la carga por eje en kips
Donde:
• SV: Varianza de la pendiente longitudinal x 102 (pulg/ pie),
representa la regularidad del pavimento medida con
perfilómetro.
• RD: Ahuellamiento promedio (pulg).
• C: Superficie agrietada (pie2 /1000 pie2)
• P: Area con baches (pie2 /1000 pie2)
• Condiciones similares al ejemplo anterior:
• Adicionalmente Δpsi=2.0, confiabilidad=90%
• Resultados:
Número estructural requerido=3.98
Carpeta asfáltica:6”
Base granular: 12”
Número estructural pavimento=4.02
• Fisuramiento por fatiga de abajo hacia arriba
• Fisuramiento por fatiga de la superficie hacia abajo
• Fatiga en bases estabilizadas químicamente
• Deformación permanente (ahuellamiento)
• Fisuramiento por temperatura
Donde:
• Nf = Nº de repeticiones de carga
• K’1 = corrección por el espesor del pavimento
• C = factor de ajuste de laboratorio y campo
• εt = deformación tangencial
• E = módulo elástico
• hac = espesor de la carpeta asfáltica
• Datos similares a los anteriores
• Adicionalmente:
• Nivel de diseño:3
• Tipo de vehículo: 5 con carga de 18,000lb por eje
• Clima moderado
• Condiciones de falla:
Fisuras de abajo hacia arriba : 25% del área
Ahuellamiento total: 0.5”
Donde:
• RDTOTAL = Ahuellamiento Total
• RDAC = ahuellamiento en la carpeta asfáltica
• RDGB = ahuellamiento de las capas granulares
• RDSG = ahuellamiento de la sub rasante
Donde:
• εp = deformación plástica
• εr = deformación resilente
• N = Nº de repeticiones de carga
• T = temperatura
• hac = espesor de la carpeta
• Profund = profundidad del punto de análisis
Donde:
• βBG SG = factor de calibración
• ε = deformación vertical en la capa
• β, ρ, εο = propiedades de los materiales
• N = Nº de repeticiones
• h = espesor de la capa
Donde:
• βBG SG = factor de calibración
• ε = deformación vertical en la capa
• β, ρ, εo = propiedades de los materiales
N = Nº de repeticiones
H = espesor de la capa
Donde:
• Se : error estandar por tipo de componente
• RD : ahuellamiento al 50% de confialibilidad
• Zp : desviación estándar normal
• En el Perú no existe norma obligatoria para el diseño de
pavimentos, dependiendo de la Entidad y el diseñador se utilizan
los diversos métodos.
• Los métodos más empleados son: AASHTO 93, Instituto del
Asfalto, PCA, y USACE.
• La norma de aceras y pavimentos para el diseño de pavimentos
urbanos está en proceso de elaboración.
• Normas del Ministerio de Transportes y Comunicaciones
DG Normas de diseño geométrico
EG Especificaciones Generales
EM Ensayos de materiales
Manual de diseño de caminos de bajo tráfico pavimentados y
no pavimentados
Proyecto de normas de diseño de pavimentos urbanos
(aceras y pavimentos)
Manual de diseño geométrico de vías urbanas
• Normas ASTM
• Normas AASHTO
• Estudiar las propiedades mecánicas, físicas y químicas del suelo
para la cimentación del pavimento, estructuras viales y
estabilidad de taludes
• Estudiar la factibilidad técnica del alineamiento horizontal y
vertical
• Clasificar los tipos de materiales para corte
• Establecer el nivel freático
• Localizar y caracterizar los materiales de cantera
• Ensayos de laboratorio
• Determinación del suelo
característico de la sub-
rasante
• Selección del valor de
resistencia de diseño del
suelo de fundación
• Reconocimiento: con el objeto de determinar la geología de la
zona y elaborar la hipótesis del suelo (probable perfil)
• Investigación Preliminar: basada en el reconocimiento se ejecuta
un número limitado de sondeos y ensayos para verificar la
hipótesis del subsuelo
• Investigación definitiva: Permite determinar los valores finales
de resistencia y estratigrafía para el diseño del pavimento
• Efectuar una revisión de la información topográfica y geológica
de la zona
• Selección de los tramos de diseño en base a las características
geológicas, topográficas y de drenaje.
• Realizar un programa de exploración con excavaciones
espaciadas de acuerdo al tipo de proyecto y condiciones del
suelo de fundación (variando de 50 m en zonas urbanas a 150-
450 m en carreteras) a una profundidad no menor a 1.50 m del
nivel de la sub rasante.
• Efectuar las excavaciones o perforaciones mediante:
Calicatas
Trincheras
Perforaciones con posteadora
Perforaciones con diamantina
• Tomar muestras representativas alteradas e inalteradas
Tubos de pared partida
(muestreador SPT)
Tubos de pared delgada
(shelby)
• Clasificar los suelos de acuerdo al Sistema AASHTO o SUCS
• Determinar el perfil estratigráfico de suelos
• Realizar ensayos de relación densidad-humedad (proctor
modificado)
• Examinar los registros de perforación, los perfiles estratigráficos
y los ensayos de clasificación, y seleccionar muestras
representativas para los ensayos de resistencia como el CBR,
Triaxial de Texas o Módulo de resilencia
• Usando el perfil estratigráfico seleccionar el módulo resilente de
diseño.
• Laboratorio:
CBR (Relación soporte California)
Módulo de resilencia
Triaxial de Texas
• Campo
Ensayo de carga directa sobre placa
FWD (Deflectometría de impacto)
Cono de penetración
Módulo de reacción de subrasante (k)
• s: presión que transmite placa al suelo
• D: deformación fijada previamente
• Ensayos de caracterización:
Contenido de humedad
Análisis granulométrico
Límite líquido y plástico
Peso específico
Compactación
Densidad de campo
Permeabilidad