Capítulo 1 Volumen I Higuera

8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera

1/23

1.

PRINCIPIOS BÁSICOS DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS

. En este capítulo se aborda la historia de los pavimentos, la definición de estructura de

pavimento, las funciones de las capas que integran una estructura, las variables de diseño,

la elección de los periodos de diseño y la descripción de los materiales que conforman las

diferentes capas de una estructura de pavimento.

1.1. HISTORIA DE LOS PAVIMENTOS

Cuando la humanidad abandonó la vida nómada empezó la historia del camino, ya que el

sistema de migraciones estacionales la obligaron a retornar a parajes menos inhóspitos.

De esta manera, el primitivo sendero que iba desde la caverna hasta los lugares de

abastecimiento se convirtió en el obligado camino, que era utilizado cada vez que las tribus

regresaban. Sin embargo, el camino no es exclusiva invención del ser humano, puesto que

pequeños y grandes animales establecen, guiados por el instinto, sus propias vías de

comunicación.

Los caminos construidos por los humanos han evolucionado debido a las perentorias

necesidades comerciales, militares y religiosas de la sociedad activa. Actualmente, la

necesidad religiosa no tiene el auge que tuvo en la antigüedad y en la edad media, y es, casi

exclusivamente, la actividad comercial el motor del desarrollo caminero.

Se tiene conocimiento de que ya en la antigüedad existían pavimentos perfectamente

constituidos; es así como en el año 322 a. C. algunas ciudades contaban con pavimentos

de piedras planas por los cuales transitaban seguramente los primeros vehículos de ruedas.

En Creta se encontraron vestigios que datan del 1500 a. C. Los más antiguos pavimentos

se encontraron enAsia. Con eltiempo se fueron extendiendo a Europa, cuando esta comenzó

a dar auge al comercio.

El imperio Romano es el pionero en la red caminera; tenía la necesidad apremiante de

vincular las diferentes regiones en una gran extensión, para poder dominar sus colonias, lo

cual dio lugar a caminos estratégicos y adecuados. El primer camino construido en Roma

data del año 312 a. C., el cual dio comienzo al espléndido sistema vial romano que sorprende

por su eficacia. Además, el tipo de estructura de los pavimentos romanos sorprende por su

similitud con los de hoy .

, FERNANDEZ ORDÓÑEZ, Hernán Otoniel. Conferencias de pavimentos. Universidad del Cauca. Popayan, 1985. p.2.

13


2/23

Los prim eros ca minos encontra dos en Am érica se ha lla ba n G ua na ha ní, Cuba y Ja ma ica . Pero

[os gra ndes sistem as ca mineros a merica nos fueron el a zteca y el m ay a, que recorría n M éxico

y pa rte de Am érica Centra l, y el inca , en Am érica del Sur, que fue el m ás extenso, era ra dia l e

ib an h ac ia E cua do r, B oliv ia y A rgentin a. H em án C ortés que dó m a ra villa do a nte lo s e splé ndid os

ca minos que encontró ; se ha lla ba n a rboriza dos a a mbos la dos, tenía n un tra za do cla ro y p reciso,

era n m uy a nchos y pa vim enta dos con enorm es la ja s; su construcción se constitu ía , prim ero,

9.e

uoa-cajade.un

metro de pro fundida d que rellenaban con una capa de

0.80

m de gruesa s

piedras, y después m ateria l de gra nulometría m ás fina pa ra enra za r y da r un a sup erfic ie lisa .

Es

as

com o. los espa ñoles encontra ron ca minos fáciles, útiles y cóm odos .

.La

construcción

de ca rretera s como ciencia a pa rece en Europa por el a ño

1850,

con los

métodos ideados por Tresa guet pa ra la construcción de cam inos. En Ing la terra , ha cia el

a ño de

1820,

Telford diseñó ca minos con superfic ie de roda dura , constru idos con piedra

cuida dosa mente co loca da . Por la m ism a época , M aca da m ideó o tro tipo de construcción,

em plea ndo p iedra irregula r de ta ma ño m edia no en luga r de la s gra ndes usa da s por Te lford.

Este último.tipo de pa vimento ideado por Macadam es utiliza do aún y lleva su nombre; es

una ' estructura que proporciona buena s ca ra cterística s de circula ción en cua lqu ier época

delaño. ' .

H~y seconocen diversos m étodos de d iseño de ca rre tera s y va rios tipos de pa vim entos, en

ra zó n d el crecim ie nto incesa nte de l tránsito , que a umenta la dem anda de ca minos

y

reclama

me jo re s c on dic io ne s y m a y or s eg urid ad, lo que se puso en evidencia desde princip ios del

siglo xx, concre ta mente en

1920,

a ño de la a pa ric ión del a utom óvil.

: . .

En ·e(2Ó 03Ia , r~d via l de Colom bia esta ba confo rm ada por

162,036

km , de los cua les la red

via l básica , a ca rgo de llnstítuto Na ciona l de V ía s

-1

NVIAS-, era de

16,527

km

(10.2%) Y

la

red secunda r ia

y

tercia ria era de. 1 45,409 km (89.8 )2. La red via l de colom bia se encuentra

a dm inistra da por el Institu to Na ciona l de Vía s

(16,527

km ), lo s d ep a rtamento s

(71 ,528

km ),

tos

municipíos (34,9~8·

km ), el Fondo Naciona l de Cam inos Vecina les

(26,811

km)

y

por

entidades

pr ivadas

(12,252'km).

De

16,527 km

de la red via l básica o red prima ria de

Colombia ,

f?,081

km (73: 1

se encuentra n pa vim enta dos, y 4,446 km

(26.9%),

e n a firm a do .

.E n el A nexo E sta distíca s de la red via l co lom bia na se presenta en deta lle la com posición

.d.~[a

red via l de C olom bia . .

? Definidón

. . . .

E l pa vim ento es una estructura via l fo rmada por una o va ria s capa s de ma teria les

selecciona dos que se construy en técnica mente sobre la subra sa nte,

y

es ca pa z de resistir

2

MINISTERIO DE TRANSPORTE. Oficina de planeación. El transporte en cifras. Bogotá D.C .. 2004. p. 36.

3

FE RNÁNDEZ ORDÓI\1EZ , Op. c it. , p. 3.

14


3/23

las cargas impuestas por el tránsito

y

la acción del medioambiente, así como transmitir al

suelo de apoyo o fundación esfuerzos y deformaciones tolerables, además de proporcionar

la circulación de los vehículos con rapidez, comodidad, seguridad y economía.

1.2.2. Características de los pavimentos

Para satisfacer adecuadamente sus funciones, un pavimento debe tener [as siguientes

características:

• Ser resistente a la acción de las cargas impuestas por el tránsito.

• Ser resistente ante los agentes del intemperismo.

• Tener textura adecuada para el rodamiento con una fricción apropiada para evitar el

deslizamiento

y

además resistente al desgaste producido por el efecto abrasivo de [as

llantas.

o Ser durable.

o

Tener condiciones adecuadas respecto al drenaje.

• Ser económico.

• Debe tener el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramientos, y ofrecer una

adecuada seguridad al tránsito.

1.2.3. Clasificación de los pavimentos

Los pavimentos han sido clasificados en:

1.2.3.1. Pavimentos flexibles

Se denominan pavimentos flexibles todos aquellos que están formados por una capa

bituminosa apoyada sobre una o varias capas de gran flexibilidad (base

y

subbase) que

transmiten los esfuerzos al terreno de soporte o fundación mediante un mecanismo de

disipación de tensiones, las cuales van disminuyendo con la profundidad. En el cuadro 1 se

presentan los elementos estructurales que conforman un pavimento flexible y en la figura 1

se muestra el esquema, el corte típico y la distribución del esfuerzo horizontal (o.) y vertical

o)

en una estructura de pavimento flexible.

15


4/23

Cuadro 1. Elementos estructurales de los pavimentos flexibles

E L E M E N T O

T I P O S F U N C I O N E S

M A T E R I A L E S B Á S I C O S

C O N S T R U C C I Ó N

1 . S e g ú n s e c c ió n

S u b r a s a n t e e n c o r t e

• S u b r a s a n te e n t e r r a p l é n

• S u b r a s a n t e m ix t a

• R o c a

S u b r a s a n te

2 . S e g ú n e l m a t e ñ a l

• S e r v i r d e fu n d a c i ó n a l p a v i m e n t o

• S u e l o s

• S u b r a s a n l e e n r o c a

o A g u a

• S u b r a s a n t e e n s u e lo a r e n o s o

S u b r a s a n t e e n s u e lo l i m o s o

• S u b r a s a n t e e n s u e l o

p l á s t c o

1 . B a s e s g r a n u l a r e s s i m p l e s

• G r a d a c i ó n a b i e r t a

G ra d a c i ó n d e n s a

• F u n c i ó n e c o n ó m ic a

• G r a d a c ió n in t e r m e d i a

• U n if o r m e

• C a p a d e t r a n s i c i ó n

• A g r e g a d o s

2 . B a s e s d e s u e l o e s t a b i l i z a d a

• D i s m i n u c i ó n d e d e fo r m a c i o n e s

• A g u a

S u e lo - c e m e n to

• R e s i s t e n c i a

• S u e l o

B a s e s y s u b b a s e s

• S u e l o - c a l

• D r e n a j e

• C e m e n t o

• S u e lo - a s f a lt o

• A m o r t í g u a r c a m b io s d e v o l u m e n d e

• A s f a l t o

l a s u b r a s a n t e

• S u e l o s - a d i ti v o s q u ím i c o s

. F a c i li ta r [ i c o n s tr u c c i ó n

• O t r o s

3 . B a s e s a s f á l ti c a s

• S e r v i r d e r o d a d u ra p ro v i s i o n a l

• G r a n u l a r e s t a b i l i z a d a c o n a s fa l to

.

t M a c a d a m a s f á l t i c o

• C o n c r e t o a s f á l t i c o

R i e g o d e

1 . l m p r im a d ó n

• L i g a r

• A s f a l t o l í q u i d o

i m p r i m a c i ó n

• I m p e r m e a b il i z a r

• E m u l s i o n e s a s f á lt ic a s

1 . T r a t a m i e n t o s s u p e rf i c i a l e s

• S i m p l e

• D o b l e

• T r i p l e

• P r o v e e r u n a s u p e rf i c i e d e r o d a d u r a

• C u á d ru p le

s u a v e s e g u r a

y

c ó m o d a

• A g r e g a d o s

C a r p e t a a s f á lí ic a

2 . M a c a d a m a s f á lt i c o

• I m p e r m e a b il i z a r l a e s t r u c t u r a

• A s f a l to

3 . C o n c r e to a s f á l t i c o

• M e j o r a r l a c a p a c i d a d e s t r u c t u r a l

-

r e s i s t e n c i a

• O tr o s

~ M e z c la e n v í a

• L i m p i e z a

• M e z c la e n p l a n t a e n fr í o o e n c a l i e n te

• M a c a d a m a s f á l t ic o

• C o n c r e to a s íá l í l c o

Fuente: FERNÁNDEZ ORDÓÑEZ, Hernán Otoniel. Conferencias de pavimentos. Universidad del Cauca. Popayán,

1985. p. 10.

16


5/23

Figura 1. Esquema, corte típico y diagrama de distribución de esfuerzos en un pavimento flexible

Pavimento flexible

Distribución de esfuerzos, kglcm

2

15 -10

5 o

5 10

hCA

-

Esfuerzo vertical /

,


6/23

Cuadro 2.

ELEMENTO

Elementos estructurales de los pavimentos rígidos

TIPOS

Subrasante

1. Según sección

• Subrasante en corte

• Subrasante en terraplén

• Subrasante mixta

2. Según el material

• Subrasante en roca

• Subrasante en suelo arenoso

• Subrasante en suelo limoso

• Subrasante en suelo plástico

Bases

y

subbases

1,BasEl.s gri lnu[ares simples

.,. Gradación abierta

..;; Gradacióndensa

•. Gradación intermedia

• Unlforme..

2. Bases de suelo estabilizada

• Suelo - cemento

• Suelo - cal

• Suelo - asfalto

• Suelos - adit ivos químicos

3. Bases asfálticas

FUNCIONES

• Servir de fundación al pavimento

• Capa de transición

• Dar capacidad .a t pavimente

• Arnortlquarcarnblós

de

volumen

d e

la subrasante . ;

• Facili tar el drenaje .. ..

• Facilitar la construcción,

• Servir de rodadura provisional

• Prevenir el fenómeno de bombeo

MATERIALES BÁSICOS

DE CONSTRUCCiÓN

• Roca

• Suelos

• Agua

. Agregados

.• : Agua

• Suelo

• Cemento

• Asfalto

• Otros

Elemento

antifriccionante

• Riegos asfálticos

• Tela de polietileno

• Otros

• De concreto simple

• De concreto reforzado

• De concreto preesforzado

Losa

Juntas

1. Según su función

• De construcción - contracción

• De expansión y alabeo

2. Según su posición

• Longitudinal

• Transversal

3. Según su forma

• Al tope, caras planas

• Con luz

4. Según refuerzo

• Sin pasadores

• Con pasadores transferencia)

• Reducir fricción entre la base

y

la

losa

• Resistencia estructural

• Superficie de rodadura

• Impermeabilización

• Facilitar la construcción

• Controlar el agrietamiento por

expansión, contracción o alabeo de

las losas.

• Asfalto

• Polietileno

• Otros

• Concreto

• Acero de refuerzo

• L1enante

• Sellantes .

• Acero


1985. p. 11.

Figura 2. Esquema, corte típico y diagrama de transmisión de la carga en un pavimento rígido

Pavimento rígido

18


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1.2.3.3. Pavimentos semirrígidos

hsb g

Losa de concreto

Diagrama de distribución de la carga en un

.:. . pavimento rígido,: . : > . . . .: : . . . ; :

~ .f-;.

.

En las últimas décadas se ha extendido el uso de un núevo tipo de estructura que podríamos

llamar 'pavimento mixto o semirrígido , que es, esencialmente, un pavimento flexible en el

cual a alguna de sus capas se le ha dado una rigidez alta, mediante tratamientos específicos

con asfalto, cemento, cal u otros productos. La transmisión de los esfuerzos al suelo de

soporte o fundación se hace en parte por disipación y otro tanto por repartición, por eso se

asume que tienen un comportamiento mixto.

En la figura 3 se muestra el corte típico y la distribución de esfuerzos horizontales o) y

verticales o) en una estructura de pavimento semirrígido.

Figura 3. Corte típico y diagrama de distribución de esfuerzos en un pavimento semirrígido

1.2.3.4. Pavimentos articulados

Distribución de esfuerzos,

kg m

15

10

10

o

5

5

Esfuerzo vertical .-/

-

'- Esfuerzo horizontal

4

0.5

0.6

Es el pavimento formado por elementos prefabricados (bloques o adoquines) de pequeñas

dimensiones, que individualmente son muy rígidos y se asientan sobre una capa de arena.

Estos van asentados sobre la subbase o directamente sobre la subrasante, dependiendo

de la calidad de ésta. Transmiten los esfuerzos al suelo de soporte mediante un mecanismo

de disipación de tensiones.

19


8/23

En la figura 4 se muestra el esquema y un corte típico de un pavimento articulado y en el

cuadro 3 se muestran los elementos estructurales de un pavimento articulado.

Figura 4. Modelo estructural de un pavimento articulado

Pavimento articulado

80-100 mm

50mm

h

Sbg

Corte típico de un pavimento articulado

Cuadro 3. Elementos estructurales de los pavimentos articulados

ELEMENTO

TIPOS

FUNCIONES

MATERIALES BÁSICOS

DE CONSTRUCCiÓN

1. Según sección

• Subrasante en corte

• Subrasante en terraplén

• Subrasante mixta

• Roca

Subrasante

2. Según el material


• Suelos

• Subrasante en roca

• Agua

• Subrasante en suelo arenoso

• Subrasante en suelo limoso

• Subrasante en suelo plástico

1. Bases granulares simples

• Gradación abierta

• Gradación densa

• Gradación intermedia

• Dar capacidad al pavimento

• Uniforme

• Agregados

2. Bases de suelo estabilizada

• Amortiguar cambios de volumen de

• Agua

la subrasante

Bases y/o subbases

• Suelos - cemento

• Facilitar el drenaje

• Suelo

o Suelo - cal

• Facilitar la construcción

• Cemento

• Suelo - asfalto

• Servir de rodadura provisional

• Asfalto

• Suelos - aditivos químicos

• Prevenir el bombeo

• Otros

3. Bases asfálticas

• Granular estabilizada con asfalto

• Macadam asfáltico

• Concreto asfáltico

1. Bloque en piedra

o Proveer una superficie suave y

o

Piedra

2. Bloque en madera

segura

• Madera

Elementos de

3. Bloque en ladr illo

• Mejorar la capacidad estructural

• Ladrillo

superficie

4. Bloque de concreto

• Impermeabilizar

5. Bloque de otros materiales

• Limpieza

• Concreto

• Ornato

• Otros


1985. p. 12.

2


9/23

1.2.4. Funciones de los pavimentos

Las funciones de las diversas capas de una estructura de un pavimento flexible, rígido y

articulado son las siguientes:

1.2.4.1.

Funciones de las capas de los pavimentos flexibles

a. Subrasante

. Servir de fundación al pavimento.

b. Subbase

o

Función económica: Una de las principales funciones de esta capa es netamente

económica; en efecto, el espesor total que se requiere para que el nivel de esfuerzos en

la subrasante sea igualo menor que su propia resistencia, puede ser construido con

materiales de alta calidad; sin embargo, es preferible distribuir las capas más calificadas

en la parte superior y colocar en la parte inferior del pavimento la capa de menor calidad,

la cual es frecuentemente la más barata. Esta solución puede traer consigo un aumento

en el espesor total del pavimento y, no obstante, resultar más económico.

• Capa de transición: La subbase bien diseñada impide la penetración de (os materiales

que constituyen la base con los de la subrasante y, por otra parte, actúa como filtro de la

base, impidiendo que los finos de (asubrasante la contaminen

y

menoscaben su calidad.

• Disminución de deformaciones: Algunos cambios volumétricos de la capa subrasante,

generalmente asociados a cambios en su contenido de humedad (expansiones) o a

cambios extremos de temperatura (heladas), pueden absorberse con la capa de subbase,

impidiendo que dichas deformaciones se reflejen en la superficie de rodamiento.

• Distribución de esfuerzos: En la subbase continúa la disipación de esfuerzos

transmitidos por la base, de manera que las presiones verticales a nivel de subrasante

sean menores a las admisibles.

• Resistencia: La subbase debe soportar los esfuerzos transmitidos por las cargas de

los vehículos a través de las capas superiores

y

transmitirlos a un nivel adecuado a la

subrasante.

c. Base

C I Función económica: Respecto a la carpeta

asfáltica,

la base tiene una función

económica análoga a la que tiene la sub base.

21


10/23

• Drenaje: En muchos casos [a base debe drenar e[ agua que se introduzca a través de la

carpeta o por [as bermas, así como impedir la ascensión capilar .

• Distribución de esfuerzos: La función primordial de la base es la de absorber los

esfuerzos horizontales de tracción generados en la fibra inferior de la carpeta asfáltica.

ID

Resistencia: La función fundamental de la base de un pavimento es proporcionar un

elemento resistente que transmita a la subbase y a la subrasante [os esfuerzos producidos

por el tránsito en una intensidad apropiada.

d.

Carpeta

asfáltíca

o

Superficie de rodamiento: La carpeta debe proporcionar una superficie uniforme,

estable

y

segura al tránsito, de textura

y

color conveniente

y

resistir los efectos abrasivos

del tránsito .

• Impermeabilidad: Hasta donde sea posible, debe impedir e[ paso del agua al interior

del pavimento.

• Distribución de esfuerzos: La carpeta asfáltica está sometida básicamente a esfuerzos

de compresión y tensión. La función principal es la de disipar los esfuerzos horizontales

generados por las cargas de los vehículos, pasando de unvalor positivo (de compresión)

en la superficie a uno negativo (de tracción) en la fibra inferior; de manera que no se

produzca el agrietamiento de la capa.

• Resistencia: Su resistencia a la tensión complementa la capacidad estructural del

pavimento.

1.2.4.2. Funciones de las capas de los pavimentos rígidos

a. Subrasante

• Servir de fundación al pavimento.

b. Subbase

• La función más importante es impedir la acción del bombeo en las juntas, grietas y

extremos del pavimento.

• Servir como capa de transición

y

suministrar un apoyo uniforme, estable y permanente al

pavimento.

22


11/23

., Facilitar los trabajos de pavimentación.

• Mejorar el drenaje y reducir por tanto al mínimo la acumulación de agua bajo el pavimento.

e a

Ayudar a controlar los cambios volumétricos de la subrasante y disminuir al mínimo la

acción superficial detales cambios volumétricos sobre el pavimento.

• Mejorar en parte la capacidad de soporte del suelo de la subrasante.

C.

Losa de concreto

o

Superficie de rodamiento: La carpeta debe proporcionar una superficie uniforme y

estable al tránsito, de textura y color conveniente y resistir los efectos abrasivos del tránsito.

o lmpermeabilidad: Hasta donde sea posible, debe impedir el paso del agua al interior

del pavimento .

•• Resistencia: Su resistencia a la tensión complementa la capacidad estructural del

pavimento.

• Función estructural: Soportar y transmitir adecuadamente los esfuerzos que se le

apliquen.

1.2.4.3.

Funciones de las capas de los pavimentos articulados

a. Subrasante


b. Subbase

• Dar capacidad estructural al pavimento

• Amortiguar cambios de [a subrasante

11 Facilitar el drenaje

D

Facilitar la construcción

11 Prevenir el bombeo

23


12/23

c. Elementos de superficie adoquines o bloques)

• Proveer una superficie suave y segura

• Mejorar capacidad estructural

• Ornato

1.3. VARIABLES QUE AFECTAN EL DISEÑO

J

LA CONSTRUCCiÓN Y EL

COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS

Las principales variables que deben considerarse para el diseño, la construcción y el

comportamiento de las estructuras de pavimento son:

a. Estructurales

• Terreno de fundación o subrasante

• El pavimento (flexible, rígido, semirrígido o articulado), constituido por capas (subbase,

base, capa de rodadura) con un espesor determinado

y

unas condiciones mecánicas de

cada capa y del conjunto.

b. El tránsito

•• El tipo de vehículo

• Peso del vehículo

• Clase de ejes

• Cargas por eje

• Presión y área de contacto de las llantas

• Velocidad de aplicación de la carga

• Impacto

• Número de aplicaciones de carga

24


13/23

c Clima y condiciones regionales

• Lluvias

• Cambios de temperatura

o Topografía

o índices regionales (humedad. presión atmosférica, vientos, nubosidad, etc.)

d Los costos

o Costos de construcción

• Costos de conservación y mantenimiento

e.

Factores intrínsecos

• Resistencia estructural

• Deformabilidad

• Durabilidad

4 ÁREA DE CONTACTO Y PRESiÓN DE CONTACTO

Los métodos de diseño de pavimentos actuales asumen una carga de neumático estática

aplicada sobre la superficie de pavimento (Yodery Witczak, 1975; Huang, 2004). La figura

5 muestra la presión de contacto (q), la presión de inflado del neumático (Pi) y el área de

contacto (Ac).

Figura 5. Presión de contacto, presión de inflado del neumático

y

área de contacto

Área de contacto ~

Presión de

inflado

\

Presión de contacto

25


14/23

En la mayoría de los casos se asumen dos supuestos: (1) la presión de contacto se distribuye

de manera uniforme en toda el área de contacto y (2) la presión de contacto es igual a la

presión de los neumáticos, así:

q=Pi

Ecuación 1

El área de contacto se relaciona con la carga y la presión de los neumáticos así:

P

a=-

q

Ecuación 2

Donde:

P:

Carga aplicada

a: Radio de carga

q

Presión de contacto

Pi:

Presión de inflado del neumático

Para el análisis se consideran dos tipos de huellas: (1) circular o redondeada y (2)

rectangular con extremos redondeados.

1.4.1. Huella ci rcu lar o redondeada

Si se considera un plato de carga se tiene:

P P

q ~

t

Ac

Ecuación

3

Donde:

Ac:

Área de contacto.

Expresando el área de contacto (Ac), en función del radio de carga, se tiene:

Ecuación

4

Donde:

st: Pi (3.141516).

Luego de reemplazar Ac en la ecuación 3, se obtiene:

26


15/23

a J q

Ecuación 5

Figura 6. Huella circular o redondeada

1.4.2. Huella rectangular con extremos redondeados

La figura 7muestra la forma aproximada del área de contacto para una rueda, la cual está

conformada por un rectángulo y dos semicírculos. Considerando un plato de carga de longitud

L y ancho 0.6 L se tiene:

Ac

=11:

(0.3

L y

+

OALx

O.6L)

Ecuación 6a

Ac=O.5227e

Ecuación 6b

Donde:

Ac:

Área de contacto

L:

Longitud de [a huella

n:

Pi (3.141516)

La longitud de la rueda se determina a partir de [a relación entre la carga aplicada, el área y

[a presión de contacto presentada en la ecuación 3. Por lo tanto, la longitud de la huella es:

L-

¡;::c-

~ o s

Ecuación 7

En el procedimiento de diseño por elementos finitos de la PCA se asume un área rectangular

de longitud 0.8712 Ly de ancho 0.6 L, equivalente al área de una huella circular con extremos

redondeados de 0.5227 L 2

27


16/23

Figura 7. Huella rectangular con extremos redondeados

y

rectangular equivalente

T

1

1

T

T

I

I I

I

6 L

r e 0.5227L I

0.6 L

Ac

=

O.522 7L2

0.6 L

1

1 1

I

I

I

I

f <

L

> 1

~~ 0.8712L

4

En el cuadro 4 se presenta, para varios tamaños de ruedas de uso típico de los vehículos

comerciales, la relación entre la carga de eje y la presión de ínflado tanto para ruedas

simples y dobles. También se muestra el espacia miento mínimo entre centros para ruedas

dobles.

Cuadro 4. Características de ruedas típicas de los vehículos comerciales

ESPACIO

PRESION DE INFLADO, kl>a

TAMAÑO NOMiNAl

TIPO DE ENTRE

300 I 325 I 350 I 375 I 400 I 425 I 450 I 475 I 500 I 525 ¡ 550 I 575 I 600 I 625 I 650 I 675 I 700 I 725 I 750 I 775 I 000

RUEDA

RU EOAS

MINIMO,mm

PESO POR RUEDA, kg

6.50-20 Simple

1500 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2120 2210 2320 2430

Doble 2GB

:za2D 2820

3010 3200 3400 3600 3800 4000 4220 4410 4600

7.00-20

Simple

1800 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800

Doble

222

:>400 3400 3600 3800 4020 4240 4360 4540 4720 4900 5090 5280

7.50-20

SimplG

1910 1910 2050 2200 2350 2500 2650 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600

Doble 239

3460 3480 3750 4020 4~0 4560 4830 5280 5520 5760 6000 8200 6400 6600 6800 7000

6.2>-17 617 Simple -

21DO 2100 2250 2400 2540 265D 2820 2960 3100 3200 3260 3400 :>480 3590 3700 3800

OOOle

263

3800 ~BOO4090 4350 4600 485D 5100 5350 5600 5800 6000 6200 6450 6700 6950 nao

8.25-20620 Simple

2220 2220 2370 252G 2570 2820 ~70 3120 3260 3400 3520 3650 3800 3900 4010 4120

9.00-22.51 822.S)

Doble

263

4000 4000 4300 4600 4900 S20D 5SOO 5800 6100 6400 6660 6930 n o o 7400 7600 7800

9.00-20 C20

Simple

2640 2640 2810 2980 3150 3300 3450 3600 3700 3950 4120 4240 4360 4480 4610 4740 4870 5000

10.00-22.5 C22.5

Doble

311

4610 4610 4920 5230 5540 5850 6160 6470 6780 7090 7400 7680 7960 8240 3460 8720 8960

9200

10.00-20 020

Simp le

3000 3000 3160 3320 3460 3640 3800 3960 412G 4280 4440 4600 4770 4940 5120 5300 5440 5580 5720 5860 6000

11.0{h; 2.S022.5

Doble 329

5400 5400 569 6000 6310 6620 6930 7240 7550 7 liD 8170 8480 8740 9010 9280 9720 9520 100 lO10360 10630 10900

11.00-20 E20

Simple

3160 3160 3330 3500 3680 3660 4040 4220 4400 45B(] 4760 4940 5120 5300 5400 5600 5800 60ao 6200 6350 6500

12.00-22.5 E22.5

Doble 354

5720 5720 6030 6340 6650 6960 7270 7560 7890 8200 8510 8820 9130 9440 9760 10140 1052010900 11,40 11370 11600

11.00-22 E22

Simple

3240 3240 3420 seee 3760 3960 4140 4320 4500 4680 4660 5040 5220 5400 5600 5800 6000 6150 6330 6510 6700

Dob le

329

5630 5830 6160 6480 6800 7130 7510 7840 8170 a500 Sa30 9160 9480 9800 10140104701080011200 11460 1173012000

Fuente: CRONEY, David

y

CRONEY, Paul. The design and performance ofroad pavernents. Segunda edición. McGraw HilL Reino

Unido, 1992. pp, 82-83.

1.4.3. Ejemplos de aplicación

a. Rueda doble con huella circular

Un eje sencillo de rueda doble tiene una carga de 8.2 toneladas. Calcule el radio de carga

de cada llanta para una presión de contacto de 5.6

kg m

Si el eje es de rueda sencilla,

determine el área de contacto

y

el radio de carga.

De acuerdo con la ecuación 3, para una carga por llanta de : ;;;;2,050 kg se tiene:

28


17/23

Ac = 2,050 kg = 366.07 cm

2

5.6 kglcm

2

.

De la ecuación 5, el radio de carga es:

_~366.07cm2 -108

a- - .

cm

1t

Para una carga por llanta de ~ = 4,100 kg, se tiene:

Ac= 4,100kg =732.14cm

2

5 6 kglcm

2

El radio de carga es:

a=~732.1:cm2 =15.27cm

b. Rueda doble con huella rectangular con extremos redondeados

Un eje simple de rueda sencilla soporta una carga de 8.2 toneladas. Calcule las dimensiones

de la huella rectangular con extremos redondeados si la presión de contacto es de

5.6 kg/cm

2

.

De acuerdo con la ecuación 3, para una carga por llanta de ~

=

4,100 kg se tiene:

Ac= 4,100kg =732.14 cm

5.6

kg/cm

2

De acuerdo con la ecuación 7 la longitud de la huella es:

L = 732.14 cm

2

= 37.42 cm

0.5227

1.5. PERIODO DE DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS

FLEXIBLES4

1.5.1. Periodo de análisis y periodo de diseño estructural

El periodo de análisis (PA) es un periodo convenientemente planeado durante el cual es

indeseable una reconstrucción de la vía. El periodo de diseño estructural (POE) está definido

como el período durante el cual está previsto, con alto grado de confiabilidad, que no se

• INVIAS. Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios

y

altos volúmenes de tránsito. Bogota D.C., 1998. pp.

7-9.

29


18/23

requerirá ningún mantenimiento estructural. Con el fin de satisfacer el objetivo del diseño, de

seleccionar e pavimento óptimo en términos del valor presente de los costos globales, es

necesario considerar la forma en que se espera que el pavimento se desempeñe du rante el

periodo de análisis. La manera en que la estrategia de diseño puede ser presentada

dependerá, en gran medida, de la relación entre deterioro y tiempo y/o número de ejes

equivalentes, la cual muestra una tendencia generalizada de la disminución en calidad de

circulación con el tiempo yel número acumulado de ejes equivalentes.

Figura 8 . Perio do de análisis (PA) y periodo de dise ño estru ctu ra l (P OE)

PA

Deterioro

Mantenimiento

(capas de refuerzo, ete.)

Reconstrucció n

PDE

Edad (a ños )

1.5.2. Selección del periodo de análisis y del periodo de diseño estructural

Para [a selección de los periodos de análisis y diseño, las vías se clasifican como se presenta

en el cuadro 5.

C ua dro 5. Ca tegoría s de la s vía s

CATEG O R íA DE LA VíA

I

J l

1 1 1

Especia l

Autopistas

Colecta ras

Cam inos rur a le s

DESCRIPCiÓN

interu rb a n a s, interurbanas,

con t ráns ito

Pav imento s

cam inos cam inos rura les e

mediano, caminos

espe cia le s e

interurbanos indust ria les

innovaciones

principales

principales

estratégicos

Importancia

Muy Importante

Importante

. Poco im portante

Importa nte apoco

importante

Tránsit o p romedio

>

5,000

1,000 10,000

<

1,000

<

10,000

diario

Fuente: INVIAS. Manual de diseño de pavimentos asfáltieos en vías con medios

y

altos volúmenes de tránsito. Bogotá D.C.,

1998. p. 7.

3


19/23

1.5.3. Selección del periodo de análisis

El periodo de análisis es un periodo de cómputo de costos reales en vías nuevas. Existe

una diferencia entre el periodo de análisis

y

el periodo total sobre el cual la ruta es usada. El

periodo de análisis es a menudo relacionado con la vida geométrica. Si el trazado de la vía

es fijo, se debe usar un periodo de análisis relativamente largo (por ejemplo, 30 años). En el

caso de una vida geométrica corta, en una situación de tránsito cambiante, se debe usar un

periodo de análisis corto. En el caso de un pavimento de vida limitada (por ejemplo, caminos

de penetración) se deberá usartambién un periodo de análisis más corto. En el cuadro 6 se

muestran los rangos

y

los periodos de análisis recomendados. Estos valores deberán ser

usados para el análisis económico, de no existir información disponible más detallada.

Cuadro 6. Periodos de análisis recomendados

PERIODO DE ANÁLISIS (PA) AÑOS

CATEGORfA DE LA VíA

Rango

Periodo recomendado

Geometría fija

Condiciones inciertas

I

20-40

30

-

II 15-30

30

25

1 1 1

10- 30

30

20

Especial

10-30 30

20-25

Fuente: INVIAS. Manual de diseño de pavimentos asfált icos en vias con medios

y

altos volúmenes de tránsito. Bogotá D.C..

1998.

p.

8.

1.5.4. Selección del periodo de diseño estructural

a. Categoría I

Para las carreteras de la categoría 1,el periodo de diseño estructura debe ser razonablemente

largo debido a que:

• No es políticamente aceptable para las autoridades de carreteras cargar con grandes

rehabilitaciones a pavimentos recientemente construidos.

• Los costos de los usuarios son altos

y

los costos originados por interrupciones del tránsito

probablemente cancelen cualquier ahorro resultante de la elección de un periodo de diseño

estructural más corto.

• La geometría de la vía es normalmente fija.

El periodo de diseño estructural adoptado en este documento es de 20 años para los

pavimentos de categoría 1,como se muestra en el cuadro 7.

31


20/23

b. Categoría 11

Para las carreteras de la categoría 1I, el periodo de diseño estructura puede variar

dependiendo de las circunstancias. Periodos de diseño estructural largos (20 años) serán

elegidos cuando las circunstancias sean las mismas que para los caminos de la categoría 1.

Los factores que pueden derivar en la elección de periodos de diseño estructural más cortos

incluyen:

• Una vida geométrica corta debido a una situación de tránsito cambiante .

• Una carencia de fondos a corto plazo.

o Una falta de confianza en las suposiciones de diseño, especialmente en el tránsito de

diseño.

Los periodos de diseño estru ctural pueden variar entre 1OY20 años. Normal mente se usará

un periodo de 15 años, como se muestra en el cuadro 7.

c. Categoría 111

. Para las vías de la categoría 111sualmente es más económico seleccionar un periodo de

diseño estructural corto de 10 años. Sin embargo, cuando la rehabilitación estructural al final

de dicho tiempo sea dificultosa o no práctica, se puede seleccionar un periodo más largo,

hasta de 20 años, según se muestra en el cuadro 7.

Cuadro 7. Periodos de diseño estructural recomendados

CATEGORíA DE LA V A

PERIODO DE DISEÑO ESTRUCTURAL (PDE) AÑOS

Rango

Recomendado

I

10 - 30

20

1 1

10 - 20

15

1 1 1

10 - 20 10

Especiales

7-20

10-15

Fuente: INVIAS. Manual de diseño de pavimentos asfált icos en vías con medios

y

altos volúmenes de tránsito. Bogotá

D.C., 1998. p. 9.

1.6. MATERIALES QUE COMPONEN LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS

FLEXIBLES5

1.6.1. Listado general de materiales para pavimentos

La selección de materiales para diseño de pavimentos está basada en una combinación de

factores como calidad, disponibilidad, economía y experiencia previa de uso. Estos factores

necesitan ser evaluados durante el diseño, en orden a seleccionar los materiales que mejor

se adapten a las condiciones del proyecto.

5

INVIAS, Op.cit. pp. 55.56.

32


21/23

Tipo de eje

Sencillo rueda simple

Sencillo rueda doble

Tándem de rueda doble

Tridem de rueda doble

Peso, toneladas

6.6

8.2

15.0

23.0

E-916-07: Método para la determinacíóndel deterioro de geotextiles por exposición a la

luz,la humedad yel calor en un aparato de tipo arco de xenón.

E-917-07: Método de prueba estándar para determinar el desempeño de un manto para

control de erosión (mce) en la protección de taludes y laderas de la erosión

producida por la lluvia.

1.8. TALLER DE APUCACIÓN

o

¿Qué es un pavimento? ¿Cuáles son los tipos de pavimentos? Definir.

o

¿Cuáles son las características que debe cumplir un pavimento?

• ¿Cuáles son las funciones de las capas de un pavimento flexible, rígido y articulado?

• ¿Cuál es la incidencia de las obras de drenaje y subdrenaje en el pavimento?

o

¿Cuáles son los variables que participan en el diseño, construcción

y

comportamiento de

un pavimento?

• ¿Cómo influye el nivel freático en la resistencia de la subrasante y en el comportamiento

del pavimento?

o ¿Cómo influye el número de aplicaciones de carga en la estructura del pavimento?

IJ Determine el peso de cada rueda y el área de la huella para los siguientes ejes,

considerando una presión de inflado de q = 5.6 kg/cm

2

•

• Una llanta soporta una carga de 2.0 toneladas. Analice el comportamiento del área de la

huella si la presión de inflado varía de 5.0 kg/cm

2

a 7.0 kg/cm

2

,

con incrementos de 0.25

kg/cm

2

. Presente [as conclusiones del análisis, ilustrar con gráficos

y

cuadros.

• La huella de una llanta es de 339 cm

2

y su presión de inflado es de 5.6 kg/cm

2

• Determinar

el peso de un eje tridem de rueda doble, de un eje tándem de rueda doble y de un eje

simple de rueda doble.

51


22/23

• Determinar el índice m/km de vías pavimentadas, en afirmado y en tierra de cada uno de

los departamentos de [a República de Colombia. Determine el índice total por

departamento y el lndice total del país. ¿Qué conclusiones puede deducir del análisis? Si

compara el índice del país con los países deAmérica del Sur, ¿qué conclusiones obtiene?

• Un sistema está conformado por dos llantas que soportan una carga de 2,050 kg cada

una

y

una presión de contacto de 5.6 kg/cm

2

.

Determinar el área de contacto

y

el radio si

se considera que la forma de la huella es circular. Sí la carga del sistema la soporta

solamente una llanta, determinar el área de contacto

y

su radio.

• Un sistema está conformado por dos llantas que soportan una carga de 2,050 kg cada

una

y

una presión de contacto de 5.6 kg/cm

2

.

Determinar el área de contacto y las

dimensiones si se considera que la forma de [a huella es rectangular con extremos

redondeados. Si la carga del sistema la soporta solamente una llanta, determinar el área

de contacto y las dimensiones de la huella semicircular.

• ¿Cuáles son las especificaciones de calidad de un material de subrasante, afirmado,

subbase y base del INVIAS? Describir en detalle.

1.9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CRON EY,David y CRON EY, Paul. The design and performance of road pavements. Segunda

edición. McGraw HíII. Reino Unido, 1992.

FERNÁNDEZ ORDÓÑEZ, Hernán Otonie . Conferencias sobre pavimentos. Universidad

de[Cauca.Popayán,1985.

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Cauca. Popayán, 1984.

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estructura de pavimento. Trabajo de investigación. Escuela de Transporte y Vías, Facultad

de Ingeniería, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja, 2006.

____ Mecánica de pavimentos - Principios básicos. ISBN 978-958-660-122-1.

Escuela de Transporte y vlas, Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica

de Colombia. Tunja, 2008.

____ Nociones sobre métodos de diseño de estructuras de pavimentos para

carreteras. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica

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Tecnológica de Colombia. Tunja, 2006.

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de Madrid. España, 1996.

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Vías e Ingeniería Civil. Universidad del Cauca, Popayán, 1987.

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Instituto Colombiano de Productores de Cemento -ICPC-. Medellín, 2001.

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bajos volúmenes de tránsito. Bogotá D.C., 2007.

____ Diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito.

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1998.

____ Guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos

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____ Normas de ensayo para materiales de carreteras. Bogotá D.C., 2007.

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1998.

53

Capítulo 1 Volumen I Higuera

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