Parte 3_Diseño de Pavimentos Asfálticos_2

7/24/2019 Parte 3_Diseo de Pavimentos Asflticos_2

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DISEO ESTRUCTURAL

DE PAVIMENTOSASFALTICOS

Ing. Jos Luis Ponce Filios


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ESTUDIO DEL CLIMA


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EFECTO DEL CLIMA SOBRE LOS PAVIMENTOS

Efecto de la presencia de agua en las estructuras de pavimento

La capacidad estructural de los pavimentos flexibles posee una altasensibilidad a las variaciones de las condiciones hdricas de losmateriales. Se ha demostrado que el agua libre al interior de unpavimento puede deteriorar de 20 a 50 veces ms su capacidad

estructural que cuando se restringe su presencia, constituyndose en elfactor climtico erosivo ms peligroso (Loradi et al, 1998; Robertson yBirgisson, 1998, Bleuzen, 1998; Hornych et al, 1998, Simonsen et al,1997; Backstrom, 2000, Alonso, 1998).La literatura Especializada seala que la presencia de agua libre dentrodel pavimento se debe principalmente a dos causas de diferentenaturaleza: i) infiltracin de agua a travs de grietas en el pavimento,

zanjas laterales, cunetas sin pavimentar, etc y ii) ascensin capilar desdeel nivel fretico.Cada uno de estos aspectos contribuye a la degradacin de la capacidadportante de las estructuras.


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Efecto de la temperatura y del flujo de calor en lasestructuras de pavimento.

En el caso de los pavimentos flexibles, los materialesasflticos son extremadamente sensibles a los cambios detemperatura debido a su comportamiento viscoso. La

resistencia de estos materiales es inversamenteproporcional a la temperatura.

Ante la presencia de altas temperaturas y/o altos periodosde aplicacin de carga (bajas frecuencias), se generandeformaciones irreversibles o plsticas en el pavimentodenominadas ahuellamientos


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En el diseo de pavimentos, tanto las temperaturas altas como

extremadamente bajas, afectan a los materiales asflticos de la superficiede rodadura, es decir afecta al Mdulo de Rigidez y a la estabilidad de lasmezclas.La gua considera la variacin del Mdulo por efecto de la temperatura ya su vez recomienda utilizar las mismas especificaciones tcnicas para laseleccin del tipo de asfalto y el diseo de mezclas asflticas, a aquellasutilizadas en pavimentos de asfalto convencionales.

Por otra parte, las temperaturas extremas bajas pueden producir hinchamiento en algunos tipos de suelos (suelos conocidos comoheladizos). Este fenmeno se debe resolver de la misma forma que enlos diseos de pavimentos tradicionales, es decir, modificando laestructura del suelo heladizo con algn aditivo qumico o construyendosobre un terrapln, en donde el espesor mnimo del terrapln lodetermina la penetracin de la helada.


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Agua

Existen tres factores que determinan la presencia o no deagua en un pavimento:localizacin geogrfica, localizacin topogrfica y existencia ono de un sistema de drenaje.Por ejemplo un camino emplazado en un sector con climasmuy lluviosos o en sectores bajos expuestos a inundaciones y

con malos sistemas de drenaje, derivar en una fallaprematura de la estructura del pavimento debido a ladisminucin de la resistencia mecnica de las capasgranulares y eventualmente de la subrasante, por efecto de lasaturacin. Contrariamente un pavimento localizado en unrea seca o ubicado en un punto topogrfico alto o con unsistema apropiado de drenaje no se ver tan afectado por lapresencia del agua y la estructura tendr una vida til mayordebido al mejor comportamiento de los materiales granulares.


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En el territorio peruano se distinguen tresregiones naturales. La Costa de climamediatizado y sin lluvias, la Sierra detemperaturas mas marcadas con mnimos ymximos con lluvias moderadas, y la Selva, de

naturaleza tropical con temperaturas bastantealtas y lluvias fuertes.Una subregin costa norte es calurosa por serparte de la zona ecuatorial y en el caso peruanocon espordicas presencias de lluvias tropicalescuando se presenta el Fenmeno del Nio.


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MapaPrecipitacin

Anual Multianual

Fuente SHENAMI


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MapaTemperatura

MximapromedioMultianual

Fuente SHENAMI


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MapaTemperaturaMnimapromedioMultianual

Fuente SHENAMI


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Un criterio muy importante a tomarse en cuenta es quenormalmente en los territorios alto-andinos del Per lastemperaturas de los pavimentos en los meses de Junio aOctubre presentan variaciones diarias en rango cercanos alos 40 Celsius y principalmente fenmenos de heladascon fuertes radiaciones solares y vientos frgidos.

La temperatura afecta directamente la deformacin de laCA y las variaciones de Temperaturas produce tensionesen la CA. Las temperaturas bajas tienen influencia en laaparicin del agrietamiento por fatiga trmica. Por otrolado las temperaturas altas tienen influencia en elahuellamiento de la CA. En los pavimentos rgidos con

diferencias fuertes de temperatura se pueden levantar lasesquinas debilitndose hasta su rompimiento.


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En funcin de las temperaturas regionales distintas debeseleccionarse la aplicacin de asfaltos con rangosdistintos de penetracin, tal como se indica en el Cuadroque se presenta a continuacin:


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En el ao 2000, el Ministerio de Transportes a travs del Direccin deEstudios Especiales realizo una investigacin determinndose el Mapa dereas Geogrficas del Per para la seleccin de los Grados de AsfaltoSuperpaveUtilizando el Modelo de Prediccin de temperaturas propuesto por SHRP

T20mm = (Taire - 0.00612 x Lat + 0.2289 x Lat + 42.2) x (0.9545) 17.78

Donde:

T20mm = Temperatura Mxima a una profundidad de 20 mm delpavimento en C

Taire = Medida de la mxima temperatura del aire en los 7 dasconsecutivos mas calurosos del ao

Lat = latitud Geogrfica (en grados) de la zona del proyecto


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Dpto Prov Dist Long Lat Alt Temperatura del Aire C 50%

Confiabilidad

Grado

PGdel

AsfaltoMedia Desv. St Temp. Max.

Amazonas Uctubamba Bagua 78.32 5.38 522 35.12 1.32 57.0 58-16

Cajamarca Cajamarca Cajamarca

78.30 7.10 2536 23.85 0.68 46.5 46-10

Jaen Jaen 78.48 5.41 620 32.28 2.89 54.3 58-10

Ica Ica Salas 75.48 13.57 430 32.53 1.05 55.4 58-10

Junin Satipo Satipo 74.42 11.14 660 36.31 1.28 58.9 58-10

Jauja Jauja 75.28 11.47 3322 22.49 1.84 45.7 46-10

Lambayeque

Chiclayo Cayalti 79.33 6.53 60 34.40 1.10 56.5 58-10

Loreto Maynas F Lores 72.17 3.26 105 33.33 0.90 55.0 58-12

Piura Sullana Marcavelica

80.44 4.51 45 34.95 1.16 56.7 58-10

San Martin San Martin Juan

Guerra

76.19 6.35 230 35.28 1.37 57.3 58-10

Tumbes Tumbes SanJacinto

80.27 3.48 29 34.06 1.31 55.7 58-10

DETERMINACION DEL GRADO DE ASFALTO

Fuente: IV Congreso Nacional del Asfalto Mapas de reas Geogrficas del Per Para la Seleccin de los Gradosde Asfalto Superpave : Ing Mary Sancho Ponce


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Efecto del drenaje en el coeficiente estructural de las

capas granulares no tratadas en pavimentos flexibles

Fuente: Gua de Diseo de espesores de pavimentos AASHTO 93


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Estructuras de Drenaje Superficial

Seccin Tpica I con Pavimento mas alto que la Cuneta Lateral


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Estructuras del Drenaje SuperficialSeccin Tpica II Con pavimento al mismo nivel de la Cuneta Lateral


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Estructuras de Drenaje Subterrneo


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AFIRMADOS

Las carreteras no pavimentadas con revestimiento granularen sus capas superiores y superficie de rodadura

corresponden en general a carreteras de bajo volumen detransito y un numero de repeticiones de EE de hasta300,000 en un periodo de diseo de 10 aos.

Carreteras Afirmadas Carreteras Tratadas con Materiales Industriales


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Para el dimensionamiento de los espesores de la capa deafirmado se adopto como representativa la ecuacinNAASRA ( National Association of Australian State RoadAuthorities hoy AUSTROADS) que relaciona el Valor deSoporte del Suelo (CBR) y la carga actuante sobre elAfirmado, expresado en numero de repeticiones de EE :

e= [ 219 211 x (log CBR) + 58 x (log CBR)] x log (Nrep/120)

Donde :

e = Espesor de la capa de afirmado

CBR = Valor del CBR de la SubrasanteNrep = Numero de Repeticiones de Ejes equivalentes


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RESUMEN DE ESPESORES


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FuenteAASHTOM 147


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FuenteFHWA


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El Manual de Carreteras del MTC aplica la Guade Diseo AASHTO versin 1993.

El mtodo AASHTO 1993 utiliza el nmeroestructural SN para cuantificar la resistencia

estructural que el pavimento requiere paradeterminada capacidad de soporte del suelo,trfico esperado y prdida de serviciabilidad.Con la ecuacin de diseo emprica usada en

AASHTO 93 se busca el nmero estructural

requerido por el proyecto


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Carta de Diseo de Pavimentos FlexiblesAASHTO 1993 Nomograma 7.2


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PROCEDIMIENTO DE DISEO

Donde:SN: Nmero estructural requerido por la seccin de carreteraW18: Nmero de ejes equivalentes de 80 kN (18,000 lb), en el perodo de diseoZR: Desviacin estndar normal (depende de la confiabilidad R de diseo)So: Error estndar por efecto del trfico y comportamientoPSI :Variacin del ndice de serviciabilidad.

MR : Mdulo resiliente de la subrasante medido en psi


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El nmero estructural requerido por el proyecto, SN, se convierte en espesoresde carpeta asfltica, base y sub base, mediante coeficientes de capa querepresentan la resistencia relativa de los materiales de cada capa.

La ecuacin de diseo es la siguiente:

SN = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3 (7.2)

Donde:ai: coeficiente de la capa i (1/pulg.)Di:espesor de la capa i (pulg.)mi: coeficiente de drenaje de la capa i (adimensional)Los subndices 1,2 y 3 se refieren a las capas de carpeta asfltica, base y subbase (si se aplica) respectivamente.Los coeficientes a2 y a3 dependen del mdulo resiliente del suelo (MR).


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Para el caso del trfico y del Diseo de Pavimentos en esteManual se definen tres categoras de Trafico:

1. Trafico cuyos EE son mayores a 50,000 y menores a 1000,00


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2. Trafico cuyos EE de 8.2 Tn estn

de 1000,000 hasta 30000,000


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3. Caminos que tienen un Transito mayor a 30000,000EE, en el carril y periodo de diseo. Esta categora noesta incluida en el Manual, este ser materia de unestudio especial por parte del ingeniero de Pavimentos.

Tipos de TraficoPesado expresado enEE

Rangos de TraficoPesado expresado enEE

Tp15 > 30000,000


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CATEGORIAS DE SUBRASANTE


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Correlaciones empricas entre el CBR y el Mr. En la figura 9 se esquematizan:

Shell, CSIR y TRRL presentan una modificacin a lasanteriores correlaciones, teniendo en cuenta el nmerode ejes equivalentes (N) de 8,2 toneladas durante elperodo de diseo, tal como se muestra en la tabla 2. Esimportante destacar que la representacin de lasecuaciones tiene la siguiente forma: Mr = K* CBRn

donde K vara con el valor de N

tabla 2


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Factor de Confiabilidad, R Tabla 7.5


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Desviacin Estndar Normal (ZR) Tabla 7.6

La desviacin estndar normal est en funcin de laconfiabilidad del proyecto, R. En la siguiente tabla se muestran losvalores de desviacin estndar correspondiente a diferentesniveles de confiabilidad.


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Valores Recomendados de Nivel de Confiabilidad para unasola etapa de diseo (10 o 20 aos) segn Rango de Trafico


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Valores recomendadosde nivel deconfiabilidad para dos

etapas de diseo de 10aos cada uno segnel trfico.


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SERVICIABILIDAD

La serviciabilidad se define como la calidad de servicio del pavimento. Laprimera medida de la serviciabilidad es el ndice de ServiciabilidadPresente, PSI, que vara de 0 (carretera imposibles de transitar) a 5(carretera perfecta).

El PSI se obtiene midiendo la rugosidad y dao (agrietamiento, parchado

y deformacin permanente) en un tiempo en particular durante la vidade servicio del pavimento. La rugosidad es el factor dominante paraestimar el PSI del pavimento.La gua AASHTO 93 usa la variacin total del ndice de serviciabilidad(PSI) como criterio de diseo, que se define como:

PSI = p0 pt

P0: ndice de serviciabilidad inicialPt: ndice de serviciabilidad final, que es el ms bajo ndicetolerable antes de la rehabilitacin.


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Serviciabilidad Inicial

La Serviciabilidad Inicial (po) es una medida de la suavidad delpavimento o facilidad de conduccin inmediatamente despus de laconstruccin. El promedio de serviciabilidad inicial para pavimentosflexibles en el Ensayo de Carreteras de la AASHO fue 4.2, el cual esnormalmente utilizado en los diseos de pavimentos flexibles nuevos

Serviciabilidad Final

La Serviciabilidad Final (Pt) es el ndice de servicio mnimo aceptable delpavimento, antes de que requiera una rehabilitacin. En contraste conla serviciabilidad inicial que se mide en base a los registros deconstruccin, la serviciabilidad final o terminal es una funcin demuchos factores, incluyendo clasificacin del pavimento, volumen detrfico y ubicacin. Generalmente las vas de mayor trfico requierenestar en mejores condiciones antes de rehabilitarse que los caminos

vecinales de baja velocidad. Los valores tpicos de serviciabilidad finalrecomendados por la Gua AASHTO en la Parte 1, seccin 1.3 estnentre 2 y 3, el primero para vas poco transitadas y el ltimo paracarreteras importantes.


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ndice deServiciabilidad

Inicial Pisegn elTrfico


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ndice deServiciabilidad

Final Pt segn elTrfico


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Diferencial deServiciabilidadPSI

en funcin del Trfico


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Figura 7.3.- Carta para calcular el coeficiente estructural deConcreto asfltico de gradacin densa


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Figura 7.4.- Variacin de coeficiente de capa de base granular (a2)con la variacin de los parmetros de resistencia


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Figura 7.7.- Variacin de coeficiente de capa de sub basegranular (a3)

con la variacin de los parmetros de resistencia


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Figura 7.5.- Variacin de coeficiente de capade bases tratadas con cemento (a2)


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Figura 7.5.- Variacin de coeficiente decapa de bases tratadas con asfalto (a2)


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Coeficientesestructuralesde las capas

del pavimentoai


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Coeficientesestructurales delas capasgranulares delpavimento ai


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Valoresrecomendados deEspesores Mnimos

de Capa Superficialy Capa de Base


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Valoresrecomendados deEspesores Mnimos

de Capa Superficialy Capa de Base


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Limitaciones deTransito yGeometra Vialpara la aplicacinde distintos tipos decapa superficial


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Catalogo deestructurasMortero Asfaltico

Periodo deDiseo 10 aos


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Catalogo deestructurasTratamiento

Superficial BicapaPeriodo deDiseo 10 aos


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Catalogo deestructurasMezclaAsfaltico en

Frio Periodo deDiseo 10aos


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FALLAS EN EL PAVIMENTO


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